Способ эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы

Полезная модель относится к области эфемеридно-временному обеспечению космического аппарата спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС. Техническим результатом заявленной полезной модели является: повышение точности навигационной информации и оперативности контроля ее качества; снижение интегральной цены навигационного поля без нарушения логики работы спутника по излучению навигационного сигнала и технологии работы потребителей; уменьшении времени обновления навигационной информации для уменьшения погрешности навигации у пользователя (повышение оперативности); устранении погрешностей, вносимых геодинамикой Земли; повышении точности навигационных определений; повышении устойчивости спутниковой навигационной системы; снижении затрат. Система эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС содержит в составе космического аппарата: бортовой источник навигационного сигнала, хранитель бортовой шкалы времени, бортовой вычислитель и бортовой навигационный приемник; в составе каждой наземной станции: навигационный приемник, хранитель системной шкалы времени, метеокомплекс, вычислитель и источник навигационного сигнала; при этом в составе космического аппарата: хранитель бортовой шкалы времени соединен с бортовым источником навигационного сигнала, бортовым вычислителем и бортовым навигационным приемником, выход бортового навигационного приемника соединен со входом бортового вычислителя, выход которого соединен с бортовым источником навигационного сигнала; при этом в составе каждой наземной станции: выход метеокомплекса соединен с первым входом вычислителя, выход которого соединен с первым входом источника навигационного сигнала, выход навигационного приемника соединен со вторым входом вычислителя, выход хранителя системной шкалы времени соединен с навигационным приемником и вторым входом источника навигационного сигнала. 1 ил.

Область техники

Полезная модель относится к области эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата спутниковой навигационной системы типа ГЛОНАСС, GPS или Галилео.

Уровень техники

Из уровня техники известны системы определения параметров движения и фазы хранителя времени навигационного космического аппарата, включающие измерение наземными средствами в режиме запрос - ответ радиальной дальности до космического аппарата, измерение псевдодальности наземными техническими средствами, расчет указанных параметров, закладку их на космический аппарат на текущий момент времени и интервал прогноза (см. - Л1, Л3, Л4, Л5, Л6).

Известные технические решения характеризуются большими затратами ресурса измерительных средств (15-20 измерительных сеансов в сутки на каждый космический аппарат), значительной периодичностью обновления навигационной информации (1-2 раза в сутки), необходимостью пользоваться потребителем прогнозной интегрированной навигационной информацией.

Очевидно, что в период между обновлениями навигационной информации у пользователя возникает погрешность навигации. Обновлять значительно чаще навигационную информацию в известном способе физически невозможно.

Из уровня техники известна система уточнения параметров движения путем взаимного измерения параметров движения и фазы навигационного сигнала между всеми космическими аппаратами орбитальной структуры навигационной системы (см. Л2).

Известная система характеризуется тем, что орбитальная группировка существует вне связи с геодинамикой Земли (прецессия оси вращения, неравномерность вращения), что приводит для пользователя, находящегося на поверхности Земли к дополнительным погрешностям.

Вносимые в навигационную информацию поправки на геодинамику Земли имеют прогнозный характер и не могут полностьро устранить погрешности.

Раскрытие полезной модели

Техническим результатом заявленной полезной модели является:

- повышение точности навигационной информации и оперативности контроля ее качества;

- снижение интегральной цены навигационного поля без нарушения логики работы спутника по излучению навигационного сигнала и технологии работы потребителей;

- уменьшение времени обновления навигационной информации для уменьшения погрешности навигации у пользователя (повышение оперативности);

- устранение погрешностей, вносимых геодинамикой Земли;

- повышение точности навигационных определений;

- повышение устойчивости спутниковой навигационной системы;

- снижение затрат.

Технический результат достигается тем, что система эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы содержит в составе космического аппарата: бортовой источник навигационного сигнала, хранитель бортовой шкалы времени, бортовой вычислитель и бортовой навигационный приемник; в составе каждой наземной станции: навигационный приемник, хранитель системной шкалы времени, метеокомплекс, вычислитель и источник навигационного сигнала; при этом в составе космического аппарата: хранитель бортовой шкалы времени соединен с бортовым источником навигационного сигнала, бортовым вычислителем и бортовым навигационным приемником, выход бортового навигационного приемника соединен со входом бортового вычислителя, выход которого соединен с бортовым источником навигационного сигнала; при этом в составе каждой наземной станции: выход метеокомплекса соединен с первым входом вычислителя, выход которого соединен с первым входом источника навигационного сигнала, выход навигационного приемника соединен со вторым входом вычислителя, выход хранителя системной шкалы времени соединен с навигационным приемником и вторым входом источника навигационного сигнала, при этом наземные стации распределены по земному шару в точках с известными координатами и работают в одной единой шкале системного времени, наземные станции и космический аппарат взаимосвязаны по каналам связи между собой и выполнены с возможностью формирования, излучения, приема и обработки навигационных сигналов.

С помощью системы осуществляется:

- формирование и излучение навигационных сигналов с источников навигационного сигнала наземных станций, включающих псевдослучайную последовательность импульсов для вхождения в связь бортового навигационного приемника космического аппарата, при этом информационная часть излучаемого источником навигационного сигнала наземных станций включает геодезические координаты, определяющие местоположение наземной станции, код времени с учетом определенной поправки к шкале собственного хранителя системного времени, поправку на распространение навигационного сигнала в ионосфере и поправку на распространение навигационного сигнала в тропосфере;

- прием навигационных сигналов бортовым навигационным приемником космического аппарата от наземных станций, распределенных по земному шару в точках с известными координатами и работающих в одной единой шкале системного времени;

- совместную обработку принятых навигационных сигналов с их кодовым разделением;

определение бортовым вычислителем космического аппарата навигационных параметров по принятым и обработанным навигационным сигналам: определение собственных параметров движения и отклонения фазы собственного хранителя времени от шкалы времени спутниковой навигационной системы;

- помещение полученных данных в навигационный кадр, излучаемый бортовым источником навигационного сигнала космического аппарата на наземные станции;

- прием наземными станциями излученного бортовым источником навигационного сигнала;

- определение вычислителями наземных станций расчетной дальности до космического аппарата и формирование кода поправки к системной шкале времени в излучаемом навигационном сигнале;

- сравнение измеренной и расчетной дальности до космического аппарата и в случае их несоответствия принятие решения о недостоверности навигационного сигнала;

- передачу информации о недостоверности навигационного сигнала на космический аппарат для включения в навигационную информацию в составе непрерывно передаваемой информации наземными станциями, при этом непрерывное обновление навигационной информации с учетом изменений навигационной информации и фазы навигационного сигнала исключает наличие в навигационном кадре прогнозных значений цифровой информации.

Краткое описание чертежей

Признаки и сущность заявленной полезной модели поясняются в последующем детальном описании, иллюстрируемом чертежом, где показано следующее:

На фиг.1 - структурная схема заявленной системы эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы, где:

1 - космический аппарат;

2 - бортовой источник навигационного сигнала;

3 - хранитель бортовой шкалы времени;

4 - бортовой вычислитель;

5 - бортовой навигационный приемник;

6₁6_n - наземные станции;

7 ₁7_n - навигационный приемник наземной станции;

8₁8_n - хранитель системной шкалы времени наземной станции;

9₁9_n - источник навигационного сигнала наземной станции;

10₁10_n - метеокомплекс;

11₁11_n - вычислитель наземной станции.

Осуществление полезной модели

Система эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы (см. фиг.1) включает аппаратуру на космическом аппарате (1) и аппаратуру, размещенную на поверхности Земли (наземные станции (6), причем наземные станции и космический аппарат взаимосвязаны по каналам связи между собой и выполнены с возможностью формирования, излучения, приема и обработки навигационных сигналов.

На космическом аппарате в состав системы входит бортовой навигационный приемник (5) с кодовым разделением навигационного сигнала, излучаемого источником навигационного сигнала (9) наземной станции (6), бортовой вычислитель (4) для определения навигационных параметров по принятым сигналам от наземных станций (6), бортовой источник навигационного сигнала (2), хранитель бортовой шкалы времени (3).

В наземную станцию входят: источник навигационного сигнала наземной станции (9), навигационный приемник наземной станции (7) для определения поправки на распространение сигнала в ионосфере и привязки хранителя времени к системной шкале времени, хранитель системной шкалы времени (8) наземной станции (6), метеокомплекс (10) для определения поправки на распространение сигнала в тропосфере, вычислитель (11) наземной стации (6) для формирования цифровой информации навигационного сигнала, включая код поправки к системной шкале времени в излучаемом сигнале.

Принцип работы заявленной полезной модели заключается в следующем.

Наземная станция системы, размещенная в точке с известными высокоточными геодезическими координатами, имеющая в своем составе хранитель системной шкалы времени, корректируемый по навигационной информации с космического аппарата, формирует и излучает навигационный сигнал с источника навигационного сигнала наземной станции, включающий псевдослучайную последовательность импульсов для вхождения в связь бортового навигационного приемника космического аппарата.

Информационная часть излучаемого источником навигационного сигнала наземной станции включает:

- геодезические координаты, определяющие местоположение наземной станции;

- код времени с учетом определенной поправки к шкале собственного хранителя системного времени;

- поправку на распространение навигационного сигнала в ионосфере;

- поправку на распространение навигационного сигнала в тропосфере.

Геодезические координаты определяются с помощью традиционных геодезических средств и методов или путем представительной выборки решения задач позиционирования по космическим навигационным системам.

Хранение системного времени осуществляется путем применения стандарта частоты и времени, к шкале которого постоянно определяется поправка по навигационному сигналу космического аппарата.

Поправка на распространение сигнала в ионосфере определяется путем совместной обработки навигационного сигнала космического аппарата на двух несущих частотах.

Поправка на распространение сигнала в тропосфере определяется путем обработки данных метеокомплекса: температуры, атмосферного давления, влажности.

Навигационные сигналы, принятые бортовым навигационным приемником космического аппарата от нескольких наземных станций при совместной обработке, обеспечивают непрерывное определение местоположения космического аппарата. Непрерывное местоположение исключает необходимость передавать в навигационном кадре прогнозные значения эфемеридно-временных поправок, что обеспечивает повышение точности навигационной информации, а также автоматический учет геодинамики Земли.

Система непрерывного обновления эфемеридной информации космического аппарата спутниковой навигационной системы может быть реализована путем размещения в зоне видимости космического аппарата не менее 3-х наземных станций на поверхности Земли. Размещение таких станций не только на территории Российской Федерации, но и на зарубежных территориях затруднений не составляет.

Рассматриваемая система может выполнять еще одну функцию, а именно: контроль достоверности навигационной информации космического аппарата и запись признака «недостоверности» в реальном режиме («on-line»),

Навигационный приемник определяет радиальную дальность, вычислитель определяет расчетную дальность до космического аппарата. Несоответствие измеренной и расчетной дальности свидетельствует о недостоверности навигационного сигнала. Признак «недостоверности» передается на космический аппарат для включения в навигационную информацию в составе непрерывно передаваемой информации наземной станцией.

Поскольку измерения проводятся с использованием наземных источников опорного навигационного сигнала, распределенных по земному шару, то навигационная информация учитывает реальное состояние Земли, что исключает погрешности, вносимые геодинамикой Земли.

Система не требует дорогостоящего ресурса для измерений навигационных параметров космического аппарата, это позволяет использовать как угодно большое количество наземных источников опорного навигационного сигнала, распределенных по земному шару, что обеспечивает высокую устойчивость спутниковой навигационной системы.

Система обеспечивает непрерывное обновление навигационной информации, содержащейся в навигационном сигнале космического аппарата с учетом изменений навигационной информации и фазы навигационного сигнала, что исключает наличие в навигационном кадре прогнозных значений цифровой информации.

Источники информации, принятые во внимание

1. Авторское свидетельство СССР SU 1840714 А1 на изобретение «Спутниковая радионавигационная система», опубл. 27.06.2008, МПК G01S 1/02 - (Л1).

2. Патент Российской Федерации RU 2276836 С2 на изобретение «Система космической оптической связи между кооперируемым объектом и объектом-корреспондентом», опубл. 20.05.2006, МПК Н04В 10/22 - (Л2).

3. Патент Российской Федерации RU 2181927 С1 на изобретение «Спутниковая радионавигационная система», опубл. 27.04.2002, МПК Н04В 7/185, G01S 5/02 -(Л3).

4. Патент Российской Федерации RU 2175771 С1 на изобретение «Способ выделения погрешностей в спутниковых радионавигационных системах», опубл. 10.11.2001, МПК 00185/14 - (Л4).

5. Чеботарев В.Е., Спутниковая навигация, Космонавтика, «Земля и Вселенная», 2006, 1, с.13-22 - (Л5).

6. Ступак Г., Дворкин В., Карутин С., ГЛОНАСС вчера, сегодня и завтра, «Открытые системы», 1992-2002 - (Л6.)

Система эфемеридно-временного обеспечения космического аппарата глобальной навигационной спутниковой системы содержит в составе космического аппарата: бортовой источник навигационного сигнала, хранитель бортовой шкалы времени, бортовой вычислитель и бортовой навигационный приемник; в составе каждой наземной станции: навигационный приемник, хранитель системной шкалы времени, метеокомплекс, вычислитель и источник навигационного сигнала; при этом в составе космического аппарата: хранитель бортовой шкалы времени соединен с бортовым источником навигационного сигнала, бортовым вычислителем и бортовым навигационным приемником, выход бортового навигационного приемника соединен со входом бортового вычислителя, выход которого соединен с бортовым источником навигационного сигнала; при этом в составе каждой наземной станции: выход метеокомплекса соединен с первым входом вычислителя, выход которого соединен с первым входом источника навигационного сигнала, выход навигационного приемника соединен со вторым входом вычислителя, выход хранителя системной шкалы времени соединен с навигационным приемником и вторым входом источника навигационного сигнала, при этом наземные станции распределены по земному шару в точках с известными координатами и работают в одной единой шкале системного времени, наземные станции и космический аппарат взаимосвязаны по каналам связи между собой и выполнены с возможностью формирования, излучения, приема и обработки навигационных сигналов.