Призначення, загальна характеристика і склад системи
Приймач СРНС NAVSTAR
Дипломний проект
на здобуття ступеня магістра радіотехніки
Чернівці-2012
Зміст
Вступ.…………………………………………………………………………………..4
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ…………………………………….5
1.1. Супутникова радіонавігаційна система ГЛОНАСС…………………
1.1.1 Історія створення системи…………………………………………….
1.1.2 Призначення, загальна характеристика і склад системи……….
1.2 Космічний сегмент……………………………………………………….
1.2.1 Орбітальне угруповання ……………………………………………
1.2 Космічний сегмент……………………………………………………….
1.3 Структура навігаційних радіосигналів…………………………………
1.4 Структура навігаційного повідомлення………………………………….
Вступ
Супутникові радіонавігаційні системи (СРНС) ГЛОНАСС і GPS
все активніше використовуються в різних сферах людської діяльності. Системи продемонстрували високоточне визначення координат, швидкості і часу повітряних, космічних, морських і наземних рухомих об’єктів . Вони в змозі забезпечити істотне підвищення безпеки руху транспортних об’єктів ,вирішення задач картографії та геодезії, засвоєння віддалених, слабо вивчених територій і акваторій морів і океанів, забезпечення регулярності функціонування бурових і видобувних платформ на шельфі і у відкритому морі, швидкого пошуку та порятунок людей,які знаходяться в небезпеці, точної синхронізації рознесених у просторі об'єктів та інше.
Самі СРНС не стоять на місці і відносяться до однієї з найбільш динамічно розвиваючих областей радіотехніки . А саме:
- еволюція і серйозна модернізація системи GPS і ГЛОНАСС.
- спільне використання систем ГЛОНАСС і GPS.
- створення таких широко зонних доповнень СРНС, як WAAS, EGNOS, MSAS на основі наземних станцій контролю та геостаціонарних космічних апаратів.
- розвитку диференціальних підсистем зі станціями наземного базування.
- 
реалізація нових методів для підвищення надійності та завадостійкості апаратури споживачів.
Це все відкриває нові можливості:
- в забезпеченні безпеки країн
- в моніторингу рухомих об’єктів
- в народному господарстві, науці та освіті
- при організації подорожей
- в спорті і туризму.
Метою даної роботи є розробка лабораторного стенду
“ Приймач СРНС NAVSTAR ”
РОЗДІЛ 1. ОГЛЯД ЛІТЕРАТУРНИХ ДЖЕРЕЛ
Супутникова радіонавігаційна система ГЛОНАСС
Історія створення системи
З давніх часів мандрівники задавалися питанням: як визначити своє місце розташування на Землі?Стародавні мореплавці орієнтувалися по зірках, які вказували напрямок руху: знаючи середню швидкість і час в дорозі, можна було зорієнтуватися в просторі і визначити відстань до кінцевого пункту призначення. Однак погодні умови не завжди були на стороні дослідникам, тому збитися з курсу не представляло особливих труднощів. З появою компасу завдання істотно спростилось.
Ера радіо відкрила нові можливості перед людиною. З появою радіолокаційних станцій, коли стало можливим вимірювати параметри руху і відносне розташування об'єкта по відбитому від його поверхні променя радіолокатора, встало питання про можливість вимірювання параметрів руху об'єкта по випромінюваному сигналу. У 1957 році в СРСР група вчених під керівництвом В.А. Котельникова експериментально підтвердила можливість визначення параметрів руху штучного супутника Землі (ШСЗ) за результатами вимірювань доплерівського зсуву частоти сигналу, випромінюваного цим супутником. Але, що найголовніше, була встановлена можливість розв'язання оберненої задачі - знаходження координат приймача по виміряному доплерівському зсуву сигналу, випромінюваного з ШСЗ, якщо параметри руху і координати цього супутника відомі. При русі по орбіті супутник випромінює сигнал певної частоти, номінал якої відомий на приймальній стороні (споживач). Положення ШСЗ в будь-який момент часу відомо, точніше, його можна обчислити на підставі інформації, закладеної в сигналі супутника. Користувач, вимірюючи частоту прийнятого сигналу, порівнює його з еталонною і таким чином обчислює доплерівський зсув частоти, обумовлений рухом супутника. Вимірювання проводиться безперервно, що дозволяє скласти свого роду функцію зміни частоти Доплера. У певний момент часу частота стає рівною нулю, а потім змінює знак. У момент рівності нулю частоти Доплера споживач знаходиться на лінії, яка є нормаллю до вектора руху супутника. Використовуючи залежність крутизни кривої доплерівської частоти від відстані між споживачем і ШСЗ і вимірявши момент часу, коли частота Доплера дорівнює нулю, можна обчислити координати споживача.
Таким чином, штучний супутник Землі стає радіонавігаційною опорною станцією, координати якої змінюються в часі внаслідок руху супутника по орбіті, але заздалегідь можуть бути обчислені для будь-якого моменту часу завдяки ефемеридної інформації, закладеної в навігаційному сигналі супутника.
У 1958-1959 рр.. в Ленінградській військово-повітряній інженерній академії ім. А.Ф.Можайського, Інституті теоретичної астрономії АН СРСР, Інституті електромеханіки АН СРСР, двох морських НДІ і Горьківському НІРФІ проводилися дослідження по темі "Супутник", що стали згодом основою для побудови першої вітчизняної низькоорбітальної навігаційної супутникової системи "Цикада". І в 1963 році почалися роботи з побудови цієї системи. У 1967 році на орбіту був виведений перший вітчизняний навігаційний супутник "Космос-192". Характерною рисою радіонавігаційних супутникових систем першого покоління є застосування низькоорбітальних ШСЗ та використання для вимірювання навігаційних параметрів об'єкта сигналу одного, видимого в даний момент супутника.
Однією з основних проблем, що виникають при створенні супутникових систем, є взаємна синхронізація сигналів (шкал часу) супутників з необхідною точністю. Неузгодженість опорних генераторів супутників на 10 нс призводить до помилки у визначенні координат споживача 10-15 м. Другою проблемою, з якою зіткнулися розробники при створенні високо орбітальних супутникових навігаційних систем, стало високоточне визначення і прогнозування параметрів орбіт ШСЗ. Апаратура приймача, вимірюючи затримки сигналів від різних супутників, обчислює координати споживача.
У СРСР випробування високо орбітальної супутникової навігаційної системи ГЛОНАСС почалися в 1982 році запуском супутника "Космос-1413". В 1995 році було завершено розгортання СРНС ГЛОНАСС до її штатного складу(24 ШТЗ). Основним замовником і відповідальним за випробування і управління системи являються Військові – космічні сили РФ (зараз Ракетні війська стратегічного призначення).
Призначення, загальна характеристика і склад системи
Основне призначення СРНС ГЛОНАСС – глобальна оперативна навігація приземних приземних рухомих об'єктів: наземних (сухопутних, морських, повітряних) і низькоорбітальних космічних. Термін “ глобальна оперативна навігація ” означає що рухливий об’єкт, оснащений навігаційною апаратурою споживача (НАС) , може в будь-якому місці простору в будь-який момент часу визначити (уточнити) параметри свого руху – три координати і три складові вектора швидкості.
Система була розроблена на замовлення і знаходиться під керівництвом Міністерства Оборони Російської Федерації. Розпорядженням Президента РФ від 18 лютого 1999 року ГЛОНАСС надано статус системи подвійного (військового і цивільного) призначення.
Інформування користувачів про стан системи здійснюється через Координаційній науково-інформаційний центр Міністерства Оборони Російської Федерації, а також Інформаційно - аналітичний центр координатно-часового забезпечення Центра управління польотами Російського авіаційно-космічного агентства .
В ГЛОНАСС використовуються навігаційні космічні апарати (НКА) на кругових геоцентричних орбітах з висотою приблизно 20000 км над поверхнею землі. Завдяки використанню в бортових эталонах часу і частоти НКА атомних стандартів частоти в системі забезпечується взаємна синхронізація навігаційних радіосигналів, випромінюваних орбітальним угрупованням НКА. У навігаційній апаратурі на рухомому об’єкті в сеансі навігації приймаються радіосигнали не менше ніж від чотирьох супутників і використовуються для вимірювання не менше ніж 4 псевдо відстаней і радіальних швидкостей. Результати вимірювань і ефемеридна інформація, прийнята від кожного НКА, дозволяють визначити (уточнити) три координати і три складові швидкості рухомого об’єкта і визначити зміщення шкали часу (ШЧ) об’єкта відносно ШЧ системи. В СРНС число користувачів не обмежується, оскільки НАК не передає радіосигнали на НКА, а тільки приймає їх від НКА (пасивна навігація).
Радіонавігаційне поле СРНС ГЛОНАСС крім ще своєї основної функції (глобальна оперативна навігація рухомих об’єктів) виконує наступне:
- Локальна високоточна навігація наземних рухомих об’єктів на основі диференціальних методів навігації з використанням стаціонарних корегувальних станцій та НКА
- Високоточна взаємна геодезична прив’язка віддалених наземних об’єктів
- Взаємна синхронізація стандартів частоти і часу на віддалених наземних об’єктах.
- Не оперативна автономна навігація низько - и середньорбітальних космічних об’єктів.
СРНС ГЛОНАСС включає у собі три сегмента:
- космічний сегмент з орбітальним угрупуванням НКА;
- сегмент управління – наземний комплекс управління (НКУ);
- сегмент НАК – апаратура користувачів;
Рис 1.1 Підсистема космічних апаратів ГЛОНАСС
Рис 1.2 супутник ГЛОНАСС-М
Рис 2.2 Сегмент наземного комплексу управління системи ГЛОНАСС
Космічний сегмент
Орбітальне угруповання
Повне орбітальне угруповання в ГЛОНАСС вміщає в собі 24 штатних НКА на кругових орбітах в 3 орбітальних площинах по 8 НКА на кожній. Номінальний період обертання НКА дорівнює 11 годин 15 хвилин 44 секунд і відповідно номінальна висота кругової орбіти становить 19100 км над поверхнею Землі. В кожній орбітальній площині 8 НКА рознесені по аргументу ширини через 45 градусів і аргументи ширини 8 НКА в трьох орбітальних площинах зрушені на 15 градусів.
2.3.2 Навігаційний космічний апарат
Загальний вигляд НКА представлений на Рис 1.2. Супутник ГЛОНАСС конструктивно складається з циліндричного гермо контейнера з приладовим блоком, рами антенно-фідерних пристроїв, приладів системи орієнтації, панелей сонячних батарей із приводами, блоку рухової установки і жалюзі системи терморегулювання з приводами. На супутнику також встановлені оптичні кутові відбивачі, призначені для калібрування радіосигналів вимірювальної системи за допомогою вимірів дальності до супутника в оптичному діапазоні, а також для уточнення геодинамічних параметрів моделі руху супутника. Конструктивно кутові відбивачі формуються у вигляді блоку, що постійно відслідковує напрямок на центр Землі.
До складу бортової апаратури входять:
- навігаційний комплекс;
- комплекс керування; система орієнтації і стабілізації;
- система корекції; система терморегулювання;
- система електропостачання.
Навігаційний комплекс забезпечує функціонування супутника як елемента системи ГЛОНАСС.
До складу навігаційного комплексу входять:
- синхронізатор;
- формувач навігаційних радіосигналів;
- бортовий комп'ютер;
- приймач навігаційної інформації і передавач навігаційних радіосигналів.
Синхронізатор забезпечує видачу високо стабільних синхрочастот на бортову апаратуру, формування, збереження, корекцію і видачу бортової шкали часу.
Формувач навігаційних радіосигналів забезпечує формування псевдовипадкових фазоманіпуляційних навігаційних радіосигналів, що містять далекомірний код і навігаційне повідомлення.
Комплекс керування забезпечує керування системами супутника і контролює правильність їхнього функціонування. До складу комплексу входять: командно-вимірювальна система, блок керування бортовою апаратурою і система телеметричного контролю.
Командно-вимірювальна система забезпечує вимір дальності в запитальному режимі, контроль бортової шкали часу, керування системою по разових командах і тимчасових програмах, запис навігаційної інформації в бортовий навігаційний комплекс і передачу телеметрії.
Блок керування забезпечує розподіл живлення на системи і прилади супутника, логічну обробку, розмноження і посилення разових команд.
Система орієнтації і стабілізації забезпечує заспокоєння супутника після відділення від ракети-носія, початкову орієнтацію сонячних батарей на Сонце і повздовжньої осі супутника на Землю, потім орієнтацію повздовжньої осі супутника на центр Землі і націлювання сонячних батарей на Сонце, а також стабілізацію супутника в процесі корекції орбіти. У системі використовуються прилад на основі інфрачервоної побудови місцевої вертикалі (для орієнтації на центр Землі) і прилад для орієнтації на Сонце. Погрішність орієнтації на центр Землі не гірше 3град., а відхилення нормалі до поверхні сонячної батареї від напрямку на Сонце - не більш 5град. Як виконавчий орган при здійсненні заспокоєння і стабілізації супутника під час видачі імпульсу корекції використовується рухова установка.
Режим заспокоєння, у результаті якого відбувається гасіння кутових швидкостей, включається в зоні радіовидимості.
У режимі початкової орієнтації на Сонці здійснюється розворот супутника щодо подовжньої осі за допомогою керуючих двигунів-маховиків до появи Сонця в полі зору приладу орієнтації на Сонце, що встановлена на панелі сонячних батарей.
Режим орієнтації на Землю починається з положення орієнтації на Сонце шляхом розвороту супутника за допомогою двигунів-маховиків уздовж осі, орієнтованої на Сонце, до появи Землі в полі зору приладу орієнтації на центр Землі. У штатному режимі забезпечується орієнтація осі супутника разом з антенами на центр Землі за допомогою керуючих двигунів-маховиків по сигналах із приладів орієнтації на центр Землі, орієнтація сонячних батарей на Сонце шляхом розвороту супутника разом сонячними батареями за допомогою керуючого двигуна-маховика по одному каналі і розворотів панелей батарей щодо корпуса супутника за допомогою приводу обертання сонячних батарей по іншому каналі по сигналах приладів орієнтації на Сонце.
У режимі орієнтації перед проведенням корекції і стабілізації супутника під час видачі імпульсу корекції відстеження орієнтації на Сонці не виробляється.
Система корекції забезпечує приведення супутника в задане положення в площині орбіти і його утримання в даних межах по аргументі широти. Система включає рухову установку і блок керування. Рухова установка складається з 24 двигунів орієнтації з тягою 10 г і двох двигунів корекції з тягою 500 г. Система терморегулювання забезпечує необхідний тепловий режим супутника. Регулювання тепла, що відводиться з гермо контейнера, здійснюють жалюзі, що відкривають або закривають радіаційну поверхню в залежності від температури газу. Відвід тепла від приладів здійснюється циркулюючим газом за допомогою вентилятора. Система електропостачання включає сонячні батареї, акумуляторні батареї, блок автоматики і стабілізації напруги. При проходженні супутником тіньових ділянок Землі і Місяця живлення бортових систем здійснюється за рахунок акумуляторних батарей. Їхня розрядна ємність складає 70 ампер-годин. Для забезпечення надійності на супутнику встановлюються по два або по три комплекти основних бортових систем.
Таким чином, на супутник ГЛОНАСС покладене виконання наступних функцій:
- випромінювання високо стабільних радіонавігаційних сигналів;
- прийом, збереження і передача цифрової навігаційної інформації;
- формування, оцифровка і передача сигналів точного часу;
- ретрансляція або випромінювання сигналів для проведення траєкторних вимірів для контролю орбіти і визначення виправлень до бортової шкали часу;
- прийом і обробка разових команд;
- прийом, запам'ятовування і виконання тимчасових програм керування режимами функціонування супутника на орбіті;
- формування телеметричної інформації про стан бортової апаратури і передача її для обробки й аналізу наземному комплексові керування;
- прийом і виконання кодів/команд корекції і фазування бортової шкали часу;
- формування і передача "ознаки несправності" при виході важливих контрольованих параметрів за межі норми.