Российский космический радиомаяк

---

СЕТИ #12/99

---

Российский космический радиомаяк
Часть 1. Концепция построения и основные характеристики
Леонид НЕВЯДЕВ
НИИТП
Мировой спрос на портативную навигационную аппаратуру постоянно растет. По данным зарубежных аналитиков, объем производства этого оборудования ежегодно увеличивается примерно вдвое. Столь стремительный рост в определенной степени обусловлен техническими усовершенствованиями, внедряемыми в глобальных спутниковых навигационных системах GPS (США) и «ГЛОНАСС»* (Россия), обеспечивающих высокоточное определение координат в любой точке Земли и околоземного пространства.

Если возможностям системы GPS, ее структуре и основным характеристикам посвящено немало публикаций, в том числе и в нашем журнале (см.: Путеводная звезда, которая светит всегда//Сети, 1998, № 6), то «ГЛОНАСС» долгое время оставалась в тени, и даже искушенные в данной области читатели имеют о ней весьма схематичное представление. Поэтому автор хотел бы поближе познакомить вас с этой отечественной системой, сопоставить ее с GPS, оценить современное состояние и тенденции развития. В первой части статьи будут описаны концепция построения и основные характеристики «ГЛОНАСС», а во второй — навигационная аппаратура пользователей.

От низких к средневысотным
В отличие от наземных радионавигационных систем, чьи радиосигналы излучаются стационарными земными радиомаяками, координаты которых заранее известны потребителям, в спутниковой радионавигации применяются космические радиомаяки или навигационные КА. Орбитальная группировка из нескольких КА на негеостационарной орбите создает у поверхности Земли и в околоземном пространстве глобальное радионавигационное поле, позволяющее определять координаты объектов.

В спутниковых радионавигационных системах 1-го поколения Transit (США, 1974 г.), «Циклон» и «Цикада» (Россия, соответственно 1976 г. и 1979 г.) орбитальная группировка состояла из относительно небольшого числа КА (Transit — 10, «Циклон» — 6, «Цикада» — 4). Все эти системы базировались на низких околополярных орбитах (высотой 1000 км над поверхностью Земли) и использовались для навигации военных и гражданских морских судов. Погрешность местоопределения движущегося судна по навигационным сигналам этих спутников составляла 70—100 м и не удовлетворяла требованиям всех групп потенциальных потребителей, особенно авиаторов. К тому же приемная аппаратура была достаточно сложной, а число каналов приема не превышало двух.

Но главным недостатком систем 1-го поколения было отсутствие непрерывного глобального покрытия. Спутники на низких околополярных орбитах не позволяли сократить перерывы в связи: длительность последних в экваториальной зоне составляла около 2 ч, а в приполярных районах — 0,5 ч. Время, в течение которого потребитель мог «обслуживаться», т.е. время нахождения в зоне радиовидимости низкоорбитального КА, не превышало 15 мин.

Опыт, накопленный при эксплуатации таких систем, кардинально изменил подходы к проектированию систем следующего поколения. Главным требованием к ним стало обеспечение глобальной оперативной точной навигации для неограниченного числа военных и гражданских потребителей, причем прежде всего — подвижных объектов (автомобильных, железнодорожных, морских, воздушных). Это стало возможным благодаря использованию КА на средневысотных орбитах и, безусловно, увеличению числа КА в орбитальной группировке до 24. Сегодня, как известно, имеются две системы 2-го поколения — GPS и «ГЛОНАСС».

Применение современных технологий сделало космические маяки более эффективными (энергетически и спектрально), а навигационную аппаратуру потребителей — более миниатюрной и относительно недорогой. Эти системы обеспечивают при одновременном приеме сигналов от четырех средневысотных КА определение трех пространственных координат, скорости движения и точного времени. Аппаратура потребителя работает в пассивном режиме, поэтому навигационными услугами может пользоваться неограниченное число желающих точно определить свои координаты.

Наиболее важное отличие систем 2-го поколения — глобальность зоны покрытия. По сути, такая система — это глобальная навигационная сеть, в которой поддерживаются не только координация пространственного положения всех ее КА, но и временная синхронизация радионавигационных сигналов, излучаемых спутниками.

Двойное назначение
Работы по созданию спутниковой навигационной системы «ГЛОНАСС» начались в 1976 г., а ее ввод в эксплуатацию завершился в 1993 г. Это государственная система, которая создавалась по заказу Министерства обороны и Российского космического агентства и, в соответствии с Распоряжением Президента РФ от 19.02.99, отнесена к космической технике двойного назначения, применяемой как в интересах обороны и безопасности РФ, так и в научных и социально-экономических целях.

Главными разработчиками «ГЛОНАСС» стали:
НПО прикладной механики (Красноярск-26) — система в целом, спутник «ГЛОНАСС» и ПО управления спутниками;
НИИ космического приборостроения (Москва) — наземный комплекс управления, бортовая аппаратура КА «ГЛОНАСС» и навигационная аппаратура пользователей;
Институт радионавигации и времени (Санкт-Петербург) — спутниковая и наземная аппаратура систем синхронизации и времени.
Управление и эксплуатацию системы, а также запуск спутников осуществляют военно-космические силы России.

Как работает «ГЛОНАСС»
Каждый навигационный КА «ГЛОНАСС» непрерывно излучает шумоподобные радиосигналы двух типов — стандартной точности (СТ) в диапазоне L1 (1,6 ГГц) и высокой точности в диапазоне L2 (1,25 ГГц). Такие навигационные сигналы позволяют исключить ионосферные погрешности при приеме.

Сигнал СТ (аналогичен C/A-коду в GPS) доступен для всех потребителей в зоне видимости КА. Однако, в отличие от GPS, в «ГЛОНАСС» не используется режим преднамеренного ухудшения характеристик навигационного сигнала стандартной точности.

Точности определения навигационных параметров для потребителей (с вероятностью 99,7%) следующие:

координаты — 50—70 м в горизонтальной плоскости, 70 м в вертикальной плоскости;
скорость движения — 15 м/с;
точное время — 1 мкс.
При дифференциальном режиме определения навигационных характеристик (см. «Сети», 1998, № 6, с. 12) точность существенно повышается.

Сигналом высокой точности обычные потребители не могут воспользоваться без согласования с МО РФ, он предназначен только для нужд военных.

Аппаратура потребителей определяет пространственные координаты и точное время беззапросным методом измерения псевдодальности и радиальной псевдоскорости с использованием до 3—4 КА «ГЛОНАСС». Приемные устройства измеряют дальность до видимых спутников, скорость их движения и обрабатывают цифровую информацию, сопутствующую каждому радионавигационному сигналу. В эти данные входят координаты текущего положения спутника в пространстве и времени, отнесенные к единой для системы временной шкале и к геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, пользователь получает в составе спутниковых сигналов навигационные сообщения, которые содержат альманах системы, т.е. описание положения других спутников.

Таковы исходные данные навигационной задачи. В результате расчетов устанавливаются координаты объекта, скорость его движения и осуществляется «привязка» шкалы времени потребителя к высокоточной шкале времени — Госэталону координированного всемирного времени UTC (SU).

Сигналы
Навигационный радиосигнал, передаваемый на верхней рабочей частоте L1 (1,6 ГГц), — двухкомпонентный. Он формируется из узкополосного и широкополосного фазоманипулированных шумоподобных радиосигналов, излучаемых «в квадратуре», т.е. со сдвигом фазы на ±900. Узкополосный радиосигнал L1 образуется путем манипуляции фазы несущей псевдослучайного кода. Широкополосный радиосигнал L1 формируется за счет манипуляции фазы несущей на 1800 псевдослучайной последовательностью с тактовой частотой 5,11 МГц и образующим полиномом g(х)=1+X5+X9, который соответствует регистру формирующего сдвига.

Навигационные данные передаются путем инвертирования псевдослучайных последовательностей обоих сигналов.

Несущая частота L1 модулируется двоичной последовательностью, которая является результатом сложения по модулю 2 псевдослучайного кода, навигационного сообщения и вспомогательного меандра (синхросигнала). Несущая частота L2 модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю 2 псевдослучайного кода и вспомогательного меандра. Псевдослучайный код представляет собой m-последовательность с характеристическим полиномом g(х)=1+X3+X5, периодом повторения 1 мс и скоростью передачи 511 кбит/с. Навигационное сообщение передается со скоростью 50 бит/с, а вспомогательный меандр — со скоростью 100 бит/с.

Навигационный радиосигнал, излучаемый на нижней рабочей частоте L2, — однокомпонентный. Это широкополосный шумоподобный радиосигнал, модулированный псевдослучайной последовательностью с тактовой частотой 5,11 МГц без инвертирования символов и не содержащий навигационных данных.

Методы формирования узкополосных и широкополосных сигналов в системах GPS и «ГЛОНАСС» весьма сходны. Основное различие состоит в выборе номинала тактовой частоты — в GPS она в 2 раза выше, чем в «ГЛОНАСС» (1,023 и 10,23 МГц соответственно).

Как в GPS, так и в «ГЛОНАСС» узкополосные радиосигналы являются «открытыми» и предназначены для гражданских потребителей. Однако в GPS эти сигналы искусственно искажаются с целью ухудшения точности для не имеющих лицензии потребителей. Широкополосные радиосигналы обеих систем предназначены для использования соответствующими военными ведомствами.

Сообщения
Навигационное сообщение формируется в виде непрерывно следующих строк, каждая длительностью 2 с. В первой части строки (интервал 1,7 с) передаются навигационные данные, а во второй (0,3 с) — метка времени (рис. 1).


Рис. 1. Структура навигационного сообщения
Строка содержит 85 информационных символов длительностью 20 мс, передаваемых в относительном коде. Нумерация позиций символов в строке — справа налево. Последняя, 85-я, позиция в каждой строке «холостая» (передается символ «0»), что необходимо для формирования относительного кода. Для повышения помехоустойчивости используется код Хемминга с кодовым расстоянием 4, позволяющий исправлять одиночные ошибки и обнаруживать до двух ошибочных символов в строке. Проверочные символы передаются в начале строки (позиции 1—8). Строки разделяются метками времени, каждая из которых содержит 30 символов длительностью 10 мс и представляет собой укороченную на один символ 31-символьную m-последовательность вида 111110001101110101000010010110. Границы метки времени и навигационных данных когерентны.

Информация, передаваемая с навигационного КА, жестко структурирована. Группа из 15 строк объединена в кадр длительностью 30 с, а пять навигационных кадров образуют суперкадр длительность 2,5 мин. Границы строк, кадров и суперкадров всех КА синхронизированы так, чтобы погрешность не превышала 2 мс. Cимвольная синхронизация для метки времени осуществляется с помощью меандра, сама метка служит для строчной синхронизации навигационных данных.

Эфемериды КА и альманах
Информация, передаваемая в навигационном сообщении, подразделяется на две части — оперативную и неоперативную. Первая относится к тому КА, с борта которого передается навигационный радиосигнал. Неоперативная часть содержит данные, относящиеся ко всем КА орбитальной группировки, — альманах системы.

В оперативную информацию входят признаки достоверности навигационных данных в кадре, время начала кадра и эфемеридная информация (координаты и производные координат КА в определенный момент, называемый временем «привязки», и частотно-временные поправки). Время привязки эфемеридной информации и частотно-временные поправки, которые имеют получасовую кратность от начала суток, позволяют точно определять географические координаты и скорость движения.

Выбор оптимального «созвездия» КА и прогноза доплеровского сдвига несущей частоты (изменяется от 65 кГц для наземных и до 40 кГц для космических объектов) обеспечивается за счет анализа альманаха системы. Данные, называемые полным альманахом системы, включают в себя время, на которое определялось все содержимое этого альманаха, параметры орбиты всех КА (альманах орбит), номер пары несущих частот L1/L2, данные о состоянии всех КА системы (альманах состояния), а также поправки к бортовой шкале времени каждого КА относительно шкалы времени системы «ГЛОНАСС» (альманах фаз) и поправку к шкале времени системы «ГЛОНАСС» относительно шкалы времени страны — UTC (SU).

В составе каждого кадра передается полный объем оперативной информации и часть альманаха системы. Полный альманах содержится во всем суперкадре. При этом информация суперкадра, содержащаяся в строках 1—4, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная часть), и не меняется в пределах суперкадра.

Информация пятой строки (общие временные параметры группировки) повторяется в каждом кадре суперкадра. Строки 6—15 любого кадра заняты данными альманаха для 24-х спутников; в кадрах 1—4 содержится информация о 20 КА, в пятом кадре — о четырех. Альманах одного спутника занимает две строки (см. рис. 1).

Структура навигационных радиосигналов системы «ГЛОНАСС» обеспечивает более быстрое, чем система GPS, обновление альманаха за счет формирования более коротких суперкадров (2,5 мин против 12,5 мин в GPS).

Орбитальная группировка
Космический сегмент «ГЛОНАСС» состоит из 24 КА, размещенных в трех орбитальных плоскостях, которые разнесены друг относительно друга на 1200 по абсолютной долготе восходящего узла (точки пересечения экватора с плоскостью орбиты при движении спутника с юга на север) и сдвинуты по широте на 150. В каждой плоскости находятся по 8 КА с равномерным сдвигом между соседними по широте 450. Максимальное смещение спутника (относительно идеального положения) в орбитальной плоскости не превышает 50 за 5 лет.

Первоначально в качестве рабочей орбиты предполагалось выбрать синхронную 12-часовую круговую орбиту (h=20 000 км), имеющую двухвитковый след на поверхности Земли, которая позволяет обеспечивать оптимальное соотношение между числом КА в системе и величиной зоны радиовидимости. Однако вследствие нецентричности поля тяготения Земли взаимное положение КА в такой орбитальной группировке может изменяться. Поэтому разработчики отказались от синхронной орбиты и спутники «ГЛОНАСС» запускаются на несинхронную орбиту высотой 19 100 км (период обращения — 11 ч 15 мин 44 с) и наклонением 64,80. Такая орбита имеет на поверхности Земли многовитковый след и весьма эффективна с точки зрения поддержания требуемой конфигурации орбитальной группировки, т.к. величины возмущений для орбит всех КА практически одинаковы, а значит, корректировать положение КА требуется намного реже.


Рис. 2. Навигационное устройство пользователя ГЛОНАСС
Чтобы гарантировать потребителю для приема на «абонентское» устройство (Рис.2) радиовидимость не менее четырех КА, в системе должно быть не меньше 18 спутников; для повышения надежности и достоверности навигационных вычислений число КА было увеличено до 24. Интервал повторяемости трасс каждого спутника, а следовательно, и зоны радиовидимости потребителей — 17 витков (около 8 суток). Данная конфигурация позволяет обеспечить непрерывное глобальное многократное покрытие земной поверхности и околоземного пространства «навигационным полем».

Таковы расчетные параметры орбитальной группировки «ГЛОНАСС». По состоянию на август 1999 г. в ее составе находились 13 штатно функционирующих КА, остальные временно выведены из эксплуатации.

Космический сегмент системы «ГЛОНАСС» построен на базе КА 11Ф654 «Ураган». Масса аппарата — около 1450 кг (масса конструкции — 237 кг). Длина КА с раскрытой штангой магнитометра — 7,84 м. Срок активного существования — 3—5 лет. В состав спутника входят цилиндрический гермоконтейнер (диаметр 2,35 м), антенно-фидерная платформа, панели солнечных батарей, корректирующая двигательная установка, системы ориентации и терморегулирования.

Антенно-фидерная система выполнена в виде решетки из двух групп спиральных излучателей: центральной (четыре излучателя) и периферийной кольцевой (восемь излучателей на кольце диаметром 85 см).

Система электроснабжения включает в себя солнечные и аккумуляторные батареи. Две панели солнечных батарей (размах — 7,23 м, площадь — 17,5 м2) обеспечивают рабочую мощность 1250 Вт. При прохождении спутником теневых участков Земли и Луны питание бортовых систем осуществляется за счет аккумуляторных батарей емкостью 70 А•ч.

Спутники «ГЛОНАСС» имеют два режима работы: штатный и профилактический. В штатном режиме КА находится на орбите и излучает навигационные сигналы, в профилактическом — выводится из состава группировки для проведения регламентных работ по обслуживанию бортовых систем.

Бортовой навигационный комплекс обеспечивает формирование высокостабильных фазоманипулированных радиосигналов и их одновременное излучение на верхней (L1) и нижней (L2) рабочих частотах. Генерация высокостабильных опорных частот осуществляется бортовым хронизатором. Его составляющие — цезиевый стандарт частоты, чье относительное среднеквадратическое отклонение среднесуточных значений частоты не превышает 4•10-13, и аппаратура формирования синхрочастот и бортовой шкалы времени. Управление навигационным комплексом обеспечивает бортовой компьютер.

Приборы ориентации на Землю и Солнце КА «ГЛОНАСС» имеют следующие погрешности: на центр Земли — не более 30, от направления на Солнце — не более 50.

Запуск спутников осуществляется с космодрома Байконур с помощью носителя тяжелого класса «Протон-К» с разгонным блоком 11С861-с. Один носитель выводит на орбиту три КА. Схема выведения на орбиту двухступенчатая: сначала спутники доставляют на промежуточную круговую орбиту высотой около 200 км, а затем переводят на эллиптическую с перигеем примерно 200 км, апогеем 19 100 км и наклонением 64,30. Длительность выведения на начальную орбиту обычно составляет 4 ч 10 мин. Перевод КА в заданную точку орбиты и его удержание в необходимых пределах по широте выполняется с помощью собственной двигательной установки. Точность доставки спутника в рабочую точку орбиты составляет: по периоду обращения — 0,5 с, по широте — 10, по эксцентриситету — 0,01, по наклонению орбиты — 0,30.

Наземный комплекс управления
Этот комплекс предназначен для контроля за правильностью функционирования и управления всеми КА системы. В него входят центр управления системой с баллистическим центром, центральный синхронизатор и сеть наземных контрольно-измерительных станций (КИС), расположенных на территории России. Определение и прогноз параметров движения спутника осуществляются в баллистическом центре на основе результатов траекторных измерений дальности и радиальной скорости КА, поступающих от контрольно-измерительных станций. В наземном комплексе имеется три КИС.

В «ГЛОНАСС» эфемеридная и частотно-временная информация поставляется на КА разными подсистемами наземного комплекса управления — в отличие от GPS, где все эти данные формируются в центре управления. Для вычисления частотно-временных поправок в системе «ГЛОНАСС» создана специальная подсистема частотно-временного обеспечения, включающая в себя центральный синхронизатор (на основе водородного атомного стандарта частоты) и две измерительные станции. Первая из них принимает широкополосные радиосигналы на несущих частотах L1 и L2 и измеряет временной сдвиг псевдослучайной последовательности относительно опорного сигнала, т.е. разность между бортовой шкалой времени и шкалой времени системы, а также сдвиг фазы принятого радионавигационного сигнала по отношению к фазе сигнала центрального синхронизатора. Вторая измерительная станция определяет псевдодальность до КА.

Результаты измерений поступают в баллистический центр, где вычисляются расхождения бортовых шкал времени спутников относительно шкалы времени системы и формируется служебная информация, содержащая прогнозы эфемерид, альманах системы, поправки к бортовой шкале времени каждого КА и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров. Сформированные в баллистическом центре данные через сеть КИС ежесуточно передаются на борт КА, чтобы обеспечить обновление информации, содержащейся в навигационном сообщении.

GPS + «ГЛОНАСС» = ?
Принципы построения, архитектура и виды предоставляемых услуг в системах GPS и «ГЛОНАСС» практически одинаковы. Главные различия состоят в технической реализации, алгоритмах формирования навигационных сигналов на борту и системах отсчета времени и координат. Рабочие частотные диапазоны систем близки, что позволяет в одном навигационном приемнике использовать общие входные сигналы от GPS и «ГЛОНАСС».

Видя это сходство, эксперты различных международных организаций (ICAO, IMO и др.) неоднократно высказывали мнение о целесообразности совместного применения двух систем. Комбинированная аппаратура GPS/ «ГЛОНАСС» способна предоставить уникальные возможности для гражданских потребителей, обеспечив такую точность вычислений, которая близка к доступной сегодня только военным. Как зарубежные, так и отечественные производители навигационной аппаратуры готовы переориентироваться на производство комбинированных GPS/ «ГЛОНАСС»-приемников (более подробно см. вторую часть статьи).

Что же необходимо для объединения этих технологий? Среди технических вопросов один из первоочередных — согласование различных систем отсчета времени и координат. Система отсчета времени «ГЛОНАСС» привязана к UTC (SU) — шкале времени Государственного эталона частоты и времени России, чем она и отличается от GPS, где время привязано к шкале UTC (NO). Системное время «ГЛОНАСС» формируется на основе шкалы центрального синхронизатора (аналогичного генератору Master Clocks в GPS), но между системным временем «ГЛОНАСС» и GPS существует постоянный сдвиг на целое число часов. Дело в том, что системное время «ГЛОНАСС» соответствует московскому, которое смещено относительно UTC на +3 часа, поэтому при совместном использовании необходима часовая коррекция. Кроме того, системное время «ГЛОНАСС» и GPS имеет секундное расхождение.

Поскольку шкалы времени как UTC (SU), так и универсальной системы отсчета UTC не непрерывны, они периодически корректируются (обычно 30 июня либо 31 декабря) на целое число секунд по собственным эталонам. Значение секундного расхождения может быть снижено за счет коррекции шкалы UTC (SU) Госэталона частоты и времени РФ. Последняя коррекция на 9 мкс, произведенная 26 ноября 1996 г., позволила уменьшить расхождение между UTC (SU) и UTC до уровня 1мкс.

Сейчас сведения о величине расхождения между UTC (SU) и системным временем «ГЛОНАСС» могут передаваться в ЦУС с точностью не хуже 0,1 мкс. По этим данным рассчитываются поправки, обеспечивающие переход от системного времени к UTS (SU), которые затем передаются в составе навигационного сообщения «ГЛОНАСС» для информирования потребителей о времени UTC с точностью не хуже 1 мкс.

По мнению экспертов, существующие различия систем отсчета времени и координат не являются принципиальными и могут быть устранены введением соответствующих преобразований.

Другой фактор, стоящий на пути сближения технологий GPS и «ГЛОНАСС», — различие систем координат. В отличие от КА GPS, использующих систему координат WGS (World Geodesic System), cпутники «ГЛОНАСС» передают эфемеридную информацию в геоцентрической системе координат, принятой в нашей стране, которая носит официальное название «Параметры Земли 1999 года — ПЗ-90». Начало координат в ней расположено в центре масс Земли, а ось Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS). В настоящее время топографической службой МО выпущен справочник, в котором приведены способы преобразования координат из системы ПЗ-90 в WGS и наоборот.

Будущее космической навигации
Дальнейшее совершенствование системы «ГЛОНАСС» будет осуществляться на базе спутников нового поколения «ГЛОНАСС-М». В первую очередь, изменится структура навигационного сигнала. Радиосигнал, излучаемый в L2-диапазоне, будет содержать два одинаковых по мощности шумоподобных сигнала, сдвинутых в квадратуре (узкополосный и широкополосный), что позволит предоставить гражданским потребителям код стандартной точности в поддиапазоне L2 (1,25 ГГц).

Аналогичное решение было принято в США, где 5 января 1999 г. объявлено о выделении 400 млн долл. на модернизацию системы GPS, связанную с передачей C/A-кода на частоте L2 (1222,7 МГц) и введением третьей несущей L3 (1176,45 МГц) на КА, которые будут запускаться с 2005 г. Сигнал на частоте L2 намечено использовать для гражданских нужд, непосредственно не связанных с опасностью для жизни людей. Предлагается начать реализацию этого решения с 2003 г. Третий гражданский сигнал на частоте L3 решено использовать для нужд гражданской авиации.

Система «ГЛОНАСС» будет совершенствоваться для достижения более высоких точностей (уже сейчас можно говорить о повышении точности в 5—10 раз). Повысить стабильность шкалы системного времени можно, изменив принцип формирования системного времени «ГЛОНАСС», которое должно определяться как средневзвешенное из наблюдений наземных и бортовых часов. Это позволит существенно уменьшить расхождение между системным временем и UTC и поддерживать его на уровне не более 30 нс. В таком случае точность передачи сигналов UTC посредством «ГЛОНАСС» будет практически такой же, как в GPS.

Отказаться от использования UTC в качестве системы отсчета времени для «ГЛОНАСС-М» не планируется, следовательно, необходимость в периодической секундной коррекции остается. Поэтому для «ГЛОНАСС-М» разрабатываются определенные меры, направленные на обеспечение целостности навигационного сообщения в момент проведения секундной коррекции, а именно уведомление о предстоящей секундной коррекции, ее величине и знаке в навигационном сообщении.

Окончание следует

ОБ АВТОРЕ

Леонид Невдяев (leonn@mail.ru) — ведущий научный сотрудник НИИТП.

Сравнительная характеристика систем «ГЛОНАСС» и GPS
Показатель «ГЛОНАСС» GPS
Число КА в полной орбитальной группировке 24 24
Число орбитальных плоскостей 3 6
Число КА в каждой плоскости 8 4
Наклонение орбиты,0 64,8 55
Высота орбиты, км 19 130 20 180
Период обращения спутника 11 ч 15 мин 44 с 11 ч 58 мин 00 с
Система координат ПЗ-90 WGS-84
Масса навигационного КА, кг 1450 1055
Мощность солнечных батарей, Вт 1250 450
Срок активного существования, лет 3 7,5
Средства вывода КА на орбиту «Протон-К/ДМ» Delta 2
Число КА, выводимых за один запуск 3 1
Космодром Байконур (Казахстан) Мыс Канаверел (Cape Canaveral)
Эталонное время UTC (SU) UTC (NO)
Метод доступа FDMA CDMA
Несущая частота:
L1 1598,0625—1604,25 1575,42
L2 7/9 L1 60/77 L1
Поляризация Правосторонняя Правосторонняя
Тип псвевдошумовой последовательности m-последовательность код Голда
Число элементов кода:
C/A 511 1023
P 51 1000 2,35x1014
Скорость кодирования, Мбит/с :
C/A 0,511 1,023
P 5,11 10,23
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ - 48 -21,6
Структура навигационного сообщения
Скорость передачи, бит/с 50 50
Вид модуляции BPSK (Манчестер) BPSK NRZ
Длина суперкадра, мин 2,5 (5 кадров) 12,5 (25 кадров)
Длина кадра, с 30 (15 строк) 30 (5 строк)
Длина строки, с 2 6

«ГЛОНАСС»: вехи истории
Начало 1976 г. В красноярском НПО прикладной механики (НПО ПМ) разработаны Технические предложения по созданию системы «ГЛОНАСС» на базе отечественного КА «Ураган».

Декабрь 1976 г. Постановление ЦК КПСС и Совета Министров СССР «О развертывании единой космической системы «ГЛОНАСС».

12 октября 1982 г. Произведен запуск первого навигационного спутника «ГЛОНАСС» («Космос 1413»).

24 сентября 1993 г. Система «ГЛОНАСС» принята на вооружение МО РФ, первая очередь системы сдана в эксплуатацию.

14 декабря 1995 г. Завершено развертывание штатной конфигурации «ГЛОНАСС», и система официально принята в эксплуатацию распоряжением Президента РФ.

30 декабря 1998 г. 28-й запуск трех спутников «ГЛОНАСС». Всего с октября 1982 г. на орбиту были успешно выведены 74 КА. Все спутники (кроме шести) выведены в расчетные точки орбиты. По оценкам экономистов, проведенным в 1997 г., на развертывание системы было потрачено почти 2,5 млрд долл.

15 ноября 1997 г. Постановление правительства РФ «О федеральной целевой программе по использованию глобальной навигационной спутниковой системы «ГЛОНАСС» в интересах гражданских потребителей».

18 февраля 1999 г. Распоряжение Президента РФ об отнесении системы «ГЛОНАСС» к космической технике двойного назначения и установлении генеральным заказчиком, наряду с МО, Российского космического агентства.



Частотный план
Среди ключевых отличий GPS от «ГЛОНАСС» — способы передачи сигналов между разными КА. В GPS благодаря применению кодового разделения каналов (CDMA) передача навигационных радиосигналов осуществляется на двух фиксированных частотах (L1 и L2). При частотном методе разделении (FDMA), которое используется в системе «ГЛОНАСС», шумоподобные навигационные радиосигналы передаются на несовпадающих парах несущих частот.

Частотная сетка спутниковой системы «ГЛОНАСС» Диапазон частот Несущая частота навигационного КА
Верхний (L1) f1(n) = 1602 МГц + n•562,5 кГц
Нижний (L2) f2(n) = 1246 МГц + n•437,5 кГц
Примечание.
n — условный порядковый номер пары несущих частот f1(n) и f2(n) для навигационных радиосигналов L1 и L2 соответственно. Отношение рабочих частот L1 и L2, излучаемых любым КА «ГЛОНАСС», составляет f2(n)/f1(n)= 7/9. Радиосигналы на обеих частотах когерентны и формируются от единого эталона частоты 5,0 МГц. Распределение номеров несущих между КА отображается в альманахе системы.

Для обеспечения нормального функционирования штатной орбитальной группировки из 24 КА в системе «ГЛОНАСС» необходимы 24 несущие частоты в каждом из двух рабочих диапазонов — верхнем и нижнем (см. таблицу). При этом радиопередатчики навигационных КА излучают узкополосные радиосигналы в полосе частот 1602,0—1616,0 МГц и широкополосные радиосигналы в диапазонах 1597,4—1620,6 и 1241,3—1261,6 МГц.

Одна из проблем, с которой столкнулись разработчики системы «ГЛОНАСС» на первом этапе ее эксплуатации, — это сложная помеховая и электромагнитная обстановка, особенно в L1-диапазоне частот. Дело в том, что полоса частот 1610,6—1613,8 МГц распределена на первичной основе для радиоастрономической службы. Кроме того, полоса частот 1610,6—1626,5 МГц распределена на первичной основе спутниковой службе распределения и службе мобильной космической связи при работе в направлении «Земля — космос», а полоса частот 1613,8—1626,5 МГц — на вторичной основе службе мобильной космической связи в направлении «космос — Земля».


Модификация частотного плана системы «ГЛОНАСС»: а) 1993-1998 гг.; б) 1998-2004 гг.; в) после 2005 г.
Чтобы снизить, а в дальнейшем и полностью исключить радиопомехи астрономическим службам, с сентября 1993 г. проводится поэтапное «урезание» занимаемого системой диапазона частот.

Сначала (см. рисунок) общее число рабочих частот было сокращено с 24 до 20, что позволило устранить влияние узкополосных навигационных радиосигналов на работу астрономических служб.

Затем, дабы исключить влияние широкополосных навигационных радиосигналов, с 1998 г. по 2005 г. будет сокращено в два раза число несущих частот (до 12). Однако существующий принцип частотного разделения навигационных радиосигналов сохранится, поскольку КА, находящиеся в противоположных точках орбиты (антиподы), станут передавать радиосигналы на одинаковых несущих частотах. В этот период находящиеся в эксплуатации спутники «ГЛОНАСС» будут использовать без ограничений лишь несущие частоты n=1...12 и частоты n=0 и n=13, выделенные как технологические (они могут использоваться в ограниченные периоды времени, например при развертывании или восполнении орбитальной группировки, проведении регламентных работ и др.).

Наконец, после 2005 г. на орбите начнут функционировать модернизированные КА, использующие 12 несущих частот с номерами n= -7...+4 и технологические частоты n=5 и n=6.



Точное время «ГЛОНАСС»
Одной из проблем, возникающих при создании систем 3-го поколения, является обеспечение взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с высокой точностью (до 5 нс). Известно, что рассинхронизация навигационных сигналов, составляющая всего 10 нс, вызывает дополнительную погрешность определения местоположения потребителя до 15 м. Для формирования высокоточной бортовой шкалы времени все КА «ГЛОНАСС» оснащены цезиевыми стандартами частоты, среднесуточная нестабильность которых составляет 4•10-13. Tочность взаимной синхронизации на борту спутников — 20 нс. Для обеспечения еще более высокой точности навигационных измерений в состав наземного комплекса управления «ГЛОНАСС» введен еще один синхронизатор — центральный с водородным стандартом частоты, среднесуточная нестабильность которого — не более 3•10-14, т.е. он имеет на порядок более высокую стабильность, чем цезиевый.