Инженерная реализация российской глобальной

Наряду с телефонной связью система обеспечивает передачу данных, персональный радиодоступ, передачу коротких сообщений и определений координат местоположения абонента. Информация о местоположении абонента системы Globalstar содержится в памяти наземной станции сопряжения, которая в любой момент времени может быть передана по каналам спутниковых радиолиний в центр управления и контроля спутников (San Jose, штат Калифорния, США). Координаты местоположения абонента, имеющий персональный радиодоступ, автоматически регистрируются при установлении связи. Таким образом, независимо от желания абонента в центре управления и контроля спутниками системы Globalstar всегда имеется информация о его местоположении, а, следовательно, и информация о маршруте его движения. Трубка телефона абонента системы Globalstar, таким образом, может выполнять функции электронного «навигационного жучка». Точность определения места нахождения абонентов без участия шлюзовых станций составляет 10 км. При использовании шлюзовых станций и спутников-ретрансляторов она может достигать до 1000 м, а с использованием сигналов систем GPS до 100 м [2].

Одновременно в связи с либерализацией и гармонизацией российских телекоммуникаций и вступлением во Всемирную Торговую Организацию (ВТО), Россия поддержала основополагающие принципы создания и развития глобального информационного общества и глобальной информационной инфраструктуры, а также подходы к их реализации [3]. Несомненно, также, что при полной либерализации российского рынка услуг связи и присоединения к ВТО могут возникнуть новые факторы воздействия на устойчивость и безопасность государственной, ведомственной и корпоративной связи, обеспечиваемой российскими телекоммуникационными системами. Поэтому не может не возникать вопрос о создании российской национальной, т.е. федеральной по статусу Глобальной Спутниковой Системы Навигации, Геодезии (ГССНГ), Персональной Подвижной Связи (ППС) и Автоматического Зависимого Наблюдения (АЗН), Управления Воздушным Движением (УВД) силами отечественных разработчиков и производителей с использованием экономически приемлемых зарубежных технологий, стандартов и компонентов на базе имеющихся собственных заделов.

Таким образом, в сложившихся условиях, создание российской ГССНГ ППС и АЗН УВД продиктовано не только чисто коммерческими интересами, но и приоритетными задачами, стоящими перед базовыми и инфраструктурными отраслями, связанными с национальной безопасностью страны, а также защитой российских производителей услуг связи, наблюдения, управления и навигации.

Российская система ГССНГ ППС должна рассматриваться как средство предоставления комплексных услуг широкого спектра, как для подвижных, фиксированных абонентов, так и для автоматического зависимого наблюдения АЗН за воздушными судами (ВС).

Сегодня столкновения ВС и поиски средств их предотвращения держат в неослабевающем напряжении целую армию ученых, экспертов, специалистов – людей, работающих в авиации. Научные работы ведутся по всему миру. Территории аэродромов размечены до сантиметров. Тысячи специалистов управления воздушным движением «не отрывают глаз от дисплеев». Вокруг Земного шара вращаются сотни космических аппаратов, работающих, в том числе, и на авиацию, а столкновения в воздухе и на аэродромах продолжаются.

Успех проекта, удовлетворяющему международным стандартам и требованиям по точности навигации, мобильной связи и зависимого наблюдения, а также по окупаемости затрат, зависит от многих составляющих, среди которых важнейшую роль играют концептуальные принципы, параметры системы (орбитальное построение, создание наземного и космических сегментов, выбор параметров бортового ретранслятора) и оригинальность системного проекта, напрямую влияющие на качество, востребованность услуг и получения инвестиций.

На сегодня существующий задел – система спутниковой связи «Гонец», позволяет создать российскую систему Глобальной Персональной Подвижной Спутниковой Связи, Навигации и Наблюдения (ГППССНиН), обеспечивающую выполнение самых высоких требований к эффективности решения задач спутниковой связи, геодезии, навигации, наблюдения и управления движением транспорта. Космический сегмент системы «Гонец» должен включать до 24 КА, расположенных на круговых приполярных орбитах высотой 1500 км в шести плоскостях по 4 КА в каждой плоскости. Перспективность и оригинальность предлагаемой российской системы ГППССНиН заключается в том, что система будет обеспечивать высокую точность геодезических и навигационных определений по фазе несущих связных радиосигналов, которые в свою очередь АЗН УВД должна рассматриваться как средство предоставления комплексных, услуг позволяют значительно расширить круг решаемых задач.

УВД осуществляется с помощью известных видов радаров: первичных и вторичных. Создание вторичного радара и его совместная работа с первичным позволило устранить серьезные недостатки: низкую точность определения высоты, на которой летит самолет; полное отсутствие радиолокационного перекрытия на малых высотах и т.д. Но проблему столкновений это не решило. И не могло решить. Решение лежит на поверхности: оно заключается в использовании спутниковых систем. Это безрадарное спутниковое наблюдение и управление воздушным движением ВС.

При использовании на ВС спутниковых навигационно-связных терминалов (СНСТ), например, многофункциональной системы персональной спутниковой связи (МСПСС) «Гонец», наземное оборудование становится несравнимо дешевле и проще. Это решение является основой спутникового автоматического зависимого наблюдения (АЗН-С). Установка СНСТ АЗН-С на каждом ВС и в каждом аэропорту позволит в автоматическом режиме отобразить всю воздушную обстановку. Благодаря этой технологии можно достигнуть самого необходимого – ситуационную осведомленность полетов ВС.

О каком столкновении может идти речь, если каждый пилот видит вокруг себя с высокой точностью все? Цифровые сигналы без каких-либо проблем отображаются на дисплеях СНСТ в кабинах ВС и аэропортов координаты местонахождения всех ВС. Это и есть осведомленность.

АЗН-С – это «глаза и уши» ВС, транспортных средств аэропортов, наземных средств, служб УВД. Благодаря новой технологии будет достигаться самое главное - безопасность полетов ВС.

Внедрение АЗН-С на базе МСПСС дает России реальную возможность создать конкурентоспособную систему автономного независимого наблюдения.

Система спутниковой связи «Гонец» предназначена для обеспечения подвижных и стационарных абонентов персональной связью в глобальной масштабе с использованием малогабаритных пользовательских терминалов. Проведенный анализ различных структур показал, что оптимальной, с точки зрения непрерывного охвата территории России, является орбитальная группировка из 45 спутников-ретрансляторов, размещенных на  5 квазиполярных орбитах (наклонение i = 83^o) по 9 КА на каждой. Плоскости орбит разнесены друг относительно друга на 36^o по долготе восходящего угла. Высота орбит – 1400 км. Такая структура орбитальной группировки обеспечивает обслуживание абонентов на территории России через пользовательские терминалы (минимальный угол места 15-20^o). Эти терминалы обеспечивают прием и передачу любой цифровой информации, включая телефонную, факсимильную, телексную, а также графические изображения и определение местоположения (координат) подвижных пользователей с последующей передачей этой информации в Центр Управления Системой (ЦУС).

Работа бортовой аппаратуры КА при приеме и передаче осуществляется через антенны, имеющие широкую диаграмму направленности. Для организации устойчивой связи в радиолиниях передаются преамбулы и синхросигналы. Для обеспечения рационального режима использования энергетических ресурсов КА предусмотрено регулирование мощности бортовых передатчиков. Изменение мощности производится дискретно в пределах от 5 до 30 Вт. Команда на установку требуемой мощности бортового передатчика поступает от шлюзовых станций, что позволяет упростить решение вопросов электромагнитной совместимости различных средств в отдельных регионах земного шара.

В настоящее время многие компании, разрабатывающие аппаратуру систем спутниковой связи для определения местоположения подвижных абонентов идут по пути интеграции систем связи с американской спутниковой системой Global Positioning System (GPS). Для этого GPS-приемники встраиваются в телефонные аппараты абонентов. Для абонентов это будет означать существенные дополнительные расходы. При этом, очевидно, что встраивание GPS-приемников в телефоны будет увеличивать их габариты, вес и энергопотребление. По крайней мере, в первые годы выпуска подобные модели телефонов будут стоить заметно дороже обычных мобильных телефонов.

Разработчики, например, Европейской спутниковой навигационной системы Galileo рассматривают вопросы ее интеграции с системами мобильной связи [7].

В плане выше изложенного уместно упомянуть и о недостатках, присущих эксплуатируемым в настоящее время глобальным спутниковым навигационным системам (ГСНС) GPS.

Во-первых, несмотря на глобальность покрытия, определение координат производится только по прямой видимости GPS-приемником не менее четырех спутников. Поэтому определение местоположения зачастую невозможно в закрытых помещениях, низинах, в условиях плотной городской застройки.

Во-вторых, GPS-приемники требуют большого времени на начальную установку для приведения приемника в состояние готовности и получения первого отсчета после включения питания. Время для приведения приемника в состояние готовности составляет порядка 30-90 сек., а в некоторых случаях больше. Одновременно, как показали исследования, опубликованные Центром Волпе (Volpe National Transportation) 2001 году [6] относительно уязвимости системы GPS, система также чувствительна к непреднамеренным помехам, вызванными атмосферными эффектами, к блокировке сигналов из-за затенения зданиями и помехам от оборудования линий связи, а также преднамеренным помехам.

И в третьих, основными (определяющими) недостатками ГСНС как GPS, так и ГЛОНАСС, следует считать погрешности навигационных определений пользователей систем, обусловленные эфемеридами и геометрией размещения навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) в орбитальных структурах.

Увеличение мощности навигационных радиосигналов НИСЗ GPS предусмотренное, например, программой GPS III [8] на 25 дБ (10 дБ за счет увеличения выходной мощности источников навигационных сигналов и 10 – 15 дБ за счет использования спутниковой антенны с направленной и управляемой диаграммой направленности) не исключает отмеченные недостатки.

Подтверждением изложенного является то, что в настоящее время не разработано и не изготовлено ни одного комплекта спутникового навигационного приемоиндикатора (СНПр), работающего, например, в больших и малых населенных пунктах, где проживает большая часть населения нашей планеты, а также в лесном массиве.

Способы функционирования современных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) позволяют отнести их к радиомаячным навигационным средствам. Однако необходимость постоянного определения текущих координат НИСЗ существенно отличает СРНС от традиционных радиомаячных систем, в которых координаты радиомаяков известны и постоянны.

Непрерывное определение текущих координат НИСЗ в эксплуатируемых в настоящее время глобальных СРНС, движущихся с большими изменяющимися во времени скоростями, представляют собой сложную задачу. Как показывают испытания СРНС, основной вклад в погрешность навигационных определений пользователей СРНС вносят именно погрешности передаваемых НИСЗ собственных координат (эфемерид), которые определяются и закладываются на спутники средствами наземных комплексов управления.

Сущность алгоритмов навигационных определений абонентами систем спутниковой связи своего местоположения по связным радиосигналам российской системы ГППССНиН, которая может быть создана на базе системы спутниковой связи «Гонец» рассматривается на примере функционирования активной системы «Гонец» в режиме ретрансляции КА системы радиосигналы региональных станций (РС). Связные радиосигналы в диапазоне частот 312-315 МГц излучаются сетью РС, размещенных на поверхности Земли таким образом, чтобы в зоне радиовидимости каждого спутника находилась одна РС.

Активные связные спутниковые системы предназначены для решения задач управления наземным, морским и воздушным движением, определения местоположения пользователей (абонентов) систем, а также для организации связи центра управления системы с пользователями и между пользователями.

Возможны различные варианты исполнения системы. Есть пользователи, которые обладают достаточным собственным техническим оборудованием, позволяющим определять эфемериды (координаты фазовых центров антенн КА) и собственные координаты местоположения (координаты фазовых центров антенн аппаратуры абонента (АА) по принятым несущим частотам спутниковых радиосигналов и сообщать их по спутниковым радиолиниям в центр управления системой. Центр управления системой в нашем конкретном случае в целях использования ее в качестве АЗН-С УВД доводит для сведения всю навигационную информацию до каждого ВС, до каждого аэропорта, на дисплеях которых отображается вся воздушная обстановка.

Может быть реализован и такой вариант, когда эфемериды определяются по несущим радиосигналов РС на каждом КА и передаются пользователям. Возможны и другие варианты. Многих пользователей, например, не устраивает такая ситуация, когда данные об их местоположении передаются по каналам связи. Поэтому делается попытка так организовать работу системы, чтобы не раскрывать местонахождения такого рода пользователей.

К настоящему времени предложено относительно большое число проектов активных связных спутниковых систем. Здесь еще не достигнуто приемлемого соглашения между различными финансирующими ведомствами о создании единой системы, охватывающей всех видов пользователей. Тем не менее, например, за рубежом уже финансируются и проводят эксперименты по использованию связных активных спутниковых систем для решения задач навигации.

Геометрическая интерпретация навигационных определений иллюстрируется на Рис.1, где точками t_i обозначены положения фазового центра антенны спутника на орбите, являющиеся границами отсчетов навигационного параметра.

Для определения координат местоположения абонентов несущие, излучаемые РС, должны нести информацию о принадлежности их к определенной РС.

Приемными устройствами спутников-ретрансляторов^* (СР) производится прием связных сигналов, выделение в следящих фильтрах систем цифровой фазовой автоподстройки частоты (ЦФАПЧ) приращения фаз несущих частот на краях и в серединах мерных интервалов в радиолинии РС-СР [9].

Выделенной навигационной информацией и информацией бортовой шкалы времени СР дополнительно модулируют сигналы несущих, которые затем в составе связной информации усиливаются и излучаются в диапазоне частот 387-390 МГц в направлении Земли.

Аппаратурой абонентов принимаются излученные СР связные радиосигналы, выделяется связная и навигационная информация и дополнительно, но уже с использованием ЦФАПЧ АА измеряются приращения фаз несущих связных сигналов как на краях, так и в серединах мерных интервалов в радиолинии СР-АА. По измеренным значениям приращений фаз производятся определения значений доплеровских частот в радиолиниях фазовой центр антенны СР – фазовый центр антенн СР и фазовый центр антенн СР – фазовый центр антенны АА, приращения дальностей, а также дальности между фазовым центром антенны СР – фазовым центром антенны СР и дальности между фазовым центром антенны СР – фазовым центром антенны АА.

Рис.1 Геометрическая интерпретация функционирования глобальной спутниковой системы навигации и геодезии, персональной подвижной связи и АЗН УВД

Алгоритм оценки доплеровского сдвига частоты _Д основан на суммировании управляющего кода генератора управляющего напряжением системы слежения за несущей (ССН) , где Z_у.ССН – номинальное значение управляющего кода, соответствующее нулевому значению доплеровского сдвига _Д = 0. В соответствии с этим алгоритмом в течение мерного интервала 0 … Т_М суммируют отсчеты Z_у.ССН , вычисляя тем самым набег фазы выходного колебания за счет доплеровского сдвига от начала мерного интервала до текущего дискретного момента t_М [10]

Усредненную оценку обычно относят к середине мерного интервала. Дисперсию оценки частоты, обусловленную воздействия шума (N₀) на ССН можно еще существенно уменьшить с помощью вторичного усреднения следующим образом: получить усредненные значения и на первой и на второй половинах мерного интервала

Доплеровские сдвиги частоты позволяют одновременно определить скорости изменения дальностей между фазовыми центрами антенн РС и фазовыми центрами антенн СР , а так же между фазовыми центрами антенн СР и фазовыми центрами антенн АА соответственно и на краях и в серединах мерных интервалах. Затем определяют орбитальные скорости фазовых центров антенн СР V_пр.с , V_пр.п [11]

Реальные условия измерения скорости изменения дальностей соответствуют режиму запросных измерений, а условия измерений скорости изменения дальностей соответствуют режиму беззапросных измерений. Поэтому в выражении (1) знак отношения положительный, а в выражении (2) знак отношения отрицательный

Модуль линейной скорости кругового движения фазовых центров антенн СР на дальностях от притягивающего центра определяется выражением [12]

Следовательно, модули геоцентрического радиус-вектора по доплеровским измерениям, произведенным аппаратурой СР и АА, соответственно равны

С учетом выражений (1), (2) из выражений (5), (6)

По доплеровским измерениям, произведенным СР и АА, определяют также модули векторов баз , , дальности между фазовыми центрами антенн РС – фазовыми центрами антенн СР, и дальности между фазовыми центрами антенн СР – фазовыми центрами антенн АА [16].

Угловые скорости определяются выражениями [17]

Исходными данными для решения задачи определения эфемерид СР (координат местоположения фазового центра антенны СР) являются координаты фазового центра антенны РС, значения которых не изменяются и записываются в запоминающие устройства каждого комплекта АА в процессе его изготовления и результаты измерений текущих навигационных приемным устройством СР.

Через измеренное значение с использованием приемным устройством СР, значения модуля вектора положения фазового центра антенны СР в соответствии с Рис.1 устанавливают системы навигационных уравнений.

В основу уравнений положено метрическое свойство векторного евклидова пространства, в котором каждой паре векторов – топоцентрическому радиус-вектору (вектору дальности) и геоцентрическому радиус-вектору , а также радиус-вектору и Рис. 3 ставится в соответствие действительное число, называемое скалярными произведениями этих векторов [11], т.е. устанавливается функциональная зависимость между значениями направляющих косинусов топоцентрического радиус-вектора и значениями направляющих косинусов геоцентрического радиус-вектора, а также значениями направляющих косинусов вектора радиуса Земли.

После выражения значений направляющих косинусов через координаты в геоцентрической системе координат, системы уравнений (9) примет вид:

Вторая комбинированная система уравнений включает в себя как уравнения скалярного произведения двух векторов, так и уравнения дальномерного метода. Все пять навигационных уравнений установлены для одного и того же момента времени путем использования одних и тех же измерений по одной РС выполненными одним СР.

Определение составляющих вектора скорости фазовых центров антенн СР , , сводится к решению систем уравнений, полученных после дифференцирования уравнений (16), (17), (18) по времени.

Исходными данными для решения навигационной задачи (определение местоположения абонента) являются эфемериды и результаты измерений текущих навигационных параметров АА относительно СР.

Через измеренные АА значения дальности по связному радиосигналу перетранслированному СР модуля вектора положения фазового центра антенны СР в соответствии с Рис.1 устанавливают систему навигационных уравнений:

где (по теореме косинусов);

После выражения значений направляющих косинусов через координаты в геоцентрической системе координат, системы уравнений (1) принимают вид:

Комбинированная система уравнений включает в себя как уравнения скалярного произведения двух векторов, так и уравнения дальномерного метода. Все пять навигационных уравнений установлены абонентом для одного и того же момента времени путем использования одних и тех же измерений по одному СР.

Из рассмотренных алгоритмов навигационных определений абонентом – своего местоположения путем решения системы навигационных уравнений (20), выраженных через направляющие косинусы векторов и системы уравнений (21), у которых направляющие косинусы выражены через координаты в геоцентрической системе, наиболее оптимальным и простым является алгоритм, определяемый линейной системой навигационных уравнений.

(22)

Модуль вектора базы определяется из выражения

где , , , , ,  – координаты фазового центра антенны СР, находящегося на концах мерного интервала, определенные при решении системы (20), (21).

Значения направляющих косинусов вектора базы определяются из выражений
, ,

.
Система линейных уравнений (22) дает точное решение системы уравнений в условиях полной исходной неопределенности и не требует априорной информации.

Навигационные линейные функциональные зависимости системы уравнений (22) представляют собой суммы разностей проекций векторов геоцентрического радиус-вектора, топоцентрического и вектора-радиуса Земли на оси геоцентрической системы координат. Именно слагающие разностей проекций векторов на оси системы координат являются геометрическим эквивалентом решения системы линейных навигационных уравнений (22).

Определение составляющих вектора скорости фазовых центров антенн СР , , сводится к решению систем уравнений, полученных после дифференцирования уравнений (22) по времени.

В результате решения этой системы определяют значения направляющих косинусов топоцентрического радиус-вектора а затем и координаты фазового центра антенны АА.

В соответствии с геодезическими приложениями ориентация топоцентрического радиус-вектора характеризуется двумя углами: азимута _п и возвышения (места) _п, при чем ; . Совместное решение уравнений позволяет найти значения углов азимута и места направления: фазовый центр антенны АА – фазовый центр антенны СР. Далее покажем, что системы уравнений (16), (22) имеют единственное решение. Решение получившихся систем можно записать следующим образом

Определители , – есть функции от своих аргументов (значений направляющих , , ), линейных по каждому из своих аргументов. Аналогичное утверждение имеет, разумеется, место, если рассматривать определители как функции столбцов матрицы.

В соответствии с Рис.1 и выражениями, определяющими значения определителей очевидно: не может состоять из нулей какая-нибудь строка (столбец) матриц определителя; не могут быть две одинаковые строки (столбца); не может быть, чтобы какая-нибудь строка (столбец) матриц являлась линейной комбинацией. Следовательно, определители , не равны нулю, а системы уравнений имеют единственное решение.

С точки зрения геометрии системы имеют единственное решение, если любые два вектора из трех – неколлинеарны (не параллельны) в плоскости, а все векторы - не компланарны в пространстве, то есть все векторы, будучи приведенными, к общему началу (к фазовому центру антенны АА), не располагаются в одной плоскости [18].

Радиус-векторы системы уравнений (16), (22) не соответствуют условию компланарности. Следовательно, и с этой точки зрения система уравнения так же имеют единственное решение.

Режим измерений приращений фаз (приращений дальностей ), определяющих значения косинусов углов между вектором базы и топоцентрическими радиус-векторами эквивалентен режиму измерений разности хода радиосигналов между фазовым центром антенны СР и фазовыми центрами антенн РС линейным интерферометром, который в полной мере соответствует дифференциальному режиму. Измерения приращений фаз, а не самих разностей, а, следовательно, и приращений дальностей по фазе несущих частот позволяет устранить проблему неоднозначности фазовых измерений. При измерениях разностей дальностей, модулей векторов баз все сильно-коррелированные погрешности компенсируются, в чем проявляется дифференциальный эффект. Эффективность компенсации зависит от выходных характеристик приемных устройств СР, поскольку именно шумовая погрешность ограничивает эффект от компенсации сильно-коррелированных погрешностей. Среднеквадратическое значение погрешностей слежения за фазой несущей, например, в L диапазоне частот, обусловленной спектральным шумом, не хуже 0,3 см [19].

Рассмотрим погрешности измерения навигационных параметров и погрешности навигационных определений предложенными алгоритмами.

Режим измерений приращений фаз (приращений дальностей ), определяющих погрешность определений значений косинусов углов между векторами базы и топоцентрическими радиус-векторами, а также погрешность определений значений доплеровского сдвига частоты навигационных радиосигналов, эквивалентен режиму измерений разности хода радиосигналов между фазовым центром антенны СР и фазовыми центрами антенн РС, АА линейным интерферометром. Измерения приращений фаз, а не самих разностей, а, следовательно, и приращений дальностей по фазе несущих частот позволяет устранить проблему неоднозначности фазовых измерений. При измерениях разностей дальностей, модулей векторов баз все сильно-коррелированные погрешности компенсируются, в чем проявляется дифференциальный эффект. Эффективность компенсации зависит от выходных характеристик следящих систем приемных устройств СР, РС, АА в частности, от характеристик ЦФАПЧ, поскольку именно шумовая погрешность ограничивает эффект от компенсации сильно-коррелированных погрешностей.

Типичное значение полосы слежения следящей системы =18 Гц. Конкретные значения параметров систем слежения за фазой выбирают в зависимости действующих на следящую систему динамических возмущений и входного отношения сигнал/шум. Данные характеристики могут существенно различаться в зависимости от конкретных приложений, например, для применений пеленгатора в области геодезии, характерно отсутствие значительных динамических возмущений, что позволяет выбирать узкую полосу пропускания следящих систем, снижая тем самым флуктуационные погрешности.

Для оценки шумовой погрешности применяется выражение для дисперсии фазы следящих систем, имеющее вид [11]

Измерение доплеровского сдвига частоты несущих, например, в НИСЗ в современных отечественных и зарубежных приемниках СРНС основано также на измерении приращений дальностей с использованием цифровых систем ФАП частоты, позволяющим весьма просто и относительно точно измерять набег нециклической фазы выходного колебания (т.е. фазы, изменяющейся в пределах не ограниченных интервалом длиной 2). Это дает возможность применять относительно простые квазиоптимальные алгоритмы фазовых измерений по сигналу, замаскированному шумом [1], [2]. Среднеквадратическое значение погрешности слежения следящих систем, имеющих полосу слежения 20 Гц, обусловленное спектральной плотностью фазовых шумов, составляет не более 0,1 радиана [10].

Измерения приращений фаз спутниковым интерферометром являются реализацией режима относительных измерений, положительной особенностью которых является то, что при их измерениях погрешности имеющие систематической характер взаимно компенсируются. По существу, относительные измерения являются одной из разновидностей дифференциального режима, в ходе реализации которого за счет компенсации систематических погрешностей, обеспечивается относительная погрешность фазовых измерений порядка 10^-6 [12].

Использование первичного и вторичного усреднений фазовых измерений позволяет большую часть, как шумовой погрешности, так и погрешностей, связанных с влиянием условий распространения (ионосфера, тропосфера, многолучевость), нестабильностью фазовых сдвигов в радиолиниях РС – СР, СР – АА, свести к минимуму. Таким образом, в первом приближении можно утверждать, что доминирующее влияние на погрешность измерений приращений дальностей определения радиальной скорости и оказывает энергетический потенциал радиолиний в РС – СР, СР – АА – отношение мощности сигнала к спектральной мощности шума.

Среднеквадратическое значение погрешности (1) фазовых измерений, обусловленное шумом ССН, имеющих полосу слежения за несущей 20 Гц, составляет 0,3 см [13]. Погрешность относительных определений проекций базовых расстояний на оси геоцентрической системы координат составляет порядка 10^-6 [12].

Погрешность визирования направлений фазовый центр антенны НИСЗ – фазовый центр антенны КС относительно базового расстояния определяется выражением, полученным после дифференцирования равенства (2) и перехода к конечным приращениям

Базовое расстояние s между фазовыми центрами антенны НИСЗ, например, системы ГЛОНАСС на мерном интервале равном одной секунде равно порядка 4·10³ метров. На десяти секундном мерном интервале соответственно s = 4·10⁴ метров.

Следовательно, погрешность визирования направлений «фазовый центр антенны СР – фазовый центр антенны РС» в первом случае составит 7,5 · 10^-7 , а во втором – 7,5 · 10^-8 .

Чтобы учесть все неучтенные и остаточные погрешности измерений увеличим шумовую погрешность в 10 раз. Тогда 3 фазовых измерений составит 9 см.

Таким образом, предварительная предельная погрешность определения дальностей 9 см.

Использование измеренных значений дальностей предложенным алгоритмом для решения навигационной задачи – определение ЭИ, например, дальномерным методом, реализованным в навигационной системе ГЛОНАСС, позволит существенно повысить точность навигационных определений.

Умножение величины среднеквадратичной погрешности измерения дальностей на соответствующее значение геометрического фактора (ГФ) дает среднеквадратическую погрешность определения положения пользователя [13]. Принимая номинальную величину ГФ равную 35, погрешность определения положения фазового центра антенны НИСЗ соответственно составит 2745 см.

Предложенные алгоритмы (16), (17), (18) позволяют производить мгновенные определения координат фазовых центров антенн спутников. Поэтому в определении эфемерид будут отсутствовать погрешности определений, обусловленные геометрическим фактором и синхронизацией шкал времени. Поэтому допустимая погрешность определения координат местоположения пользователей (абонентов) на базе МСПСС «Гонец» в реальном масштабе времени составит 9 см. Т. е. для решения навигационной задачи в аппаратуре РС, СР, АА нет потребности создавать специальные шкалы времени.

Сегодня в мире навигационные системы становятся важной составляющей мобильных систем спутниковой связи третьего поколения. Поэтому у системы «Гонец» есть перспектива стать основой для новых интегрированных спутниковых систем, отвечающих требованиям наступающего века информационных технологий.

Практическая реализация разработанных алгоритмов навигационных измерений и определений в ГППССНиН в настоящее время может быть реализована двумя путями.

Первый путь.

1. 
   На основе алгоритма (16) разрабатывается программное обеспечение определения координат (эфемерид) фазового центра антенны ретранслятора КА «Гонец» в зависимости от выбранного варианта исполнения системы, т.е. на борту КА или в аппаратуре АА.
   
2. 
   Производится доработка аппаратуры абонента с целью измерения приращений фаз несущих связных сигналов излучаемых КА «Гонец» в диапазоне частот 387-390 МГц измерения доплеровских сдвигов частоты, с использованием системы фазовой автоподстройки частоты (ЦФАПЧ), а также сопряжения ее с разработанным новым программным обеспечением. Дополнительно производится доработка передающего устройства ретранслятора КА в части обеспечения модуляции несущей частоты, излучаемой в направлении Земли, информацией бортовой шкалы и навигационной информацией, измеренной приемным устройством спутникового ретранслятора по чистой несущей частоте связного сигнала в диапазоне частот 312-315 МГц, излучаемого региональной станцией.
   

3. 
   На основе алгоритма (22) разрабатывается программное обеспечение определения координат местоположения фазового центра антенны аппаратуры абонента (местоположения абонента) и производится замена программного обеспечения ранее разработанное по первому этапу. Информация о принадлежности несущих частот к определенным региональным станциям, координаты фазовых центров антенн РС записываются в запоминающие устройства в дальнейшем каждого комплекта АА в процессе их изготовления.
   
4. 
   Проводятся натурные испытания по реальному сигналу КА «Гонец», определяют координаты местоположения фазового центра антенны аппаратуры абонента и сравниваются с известными координатами местоположения фазового центра антенны аппаратуры абонента (пользователя). По результатам испытаний определяются основные направления дальнейшей доработки используемой при испытаниях аппаратуры и программного обеспечения, их параметров с целью оптимизации для получения минимально-возможных погрешностей навигационных измерений и определений.
   
5. 
   В случае получения положительных результатов производится доработка приемного устройства спутникового ретранслятора КА «Гонец» в объеме доработки аппаратуры абонента по первому, второму и третьему пунктам.
   

По второму пути необходимо разработать программное обеспечение определения эфемерид КА координат местоположения фазового центра антенн АА по п.1, 2, 3 первого пути, использовав навигационную аппаратура СРНС и провести испытания по реальным сигналам КА.

Есть и третий путь. Изложенную ниже инженерную концепцию можно экспериментально апробировать, использовав малый экспериментальный спутник «МИР» (Юбилейный-2).

Интеграцию спутниковых систем связи, спутниковых навигационных систем, а также интеграцию связной аппаратуры абонентов и навигационной аппаратуры пользователей не избежать. В действительности она идет, набирая обороты. И чтобы не оказаться вне этой высокоинтеллектуальной деятельности необходимо вести практическую деятельность в этой области, используя оба пути. Навигация – наука сложная и чтобы специалисты в области спутниковой связи ее освоили необходимо время. А чтобы не упустить время необходимо начать работу сейчас. Следовательно, практическую реализацию разработанных алгоритмов следует проводить параллельно по первому и второму пути.

В настоящее время мировой рынок спутниковых услуг: навигации, геодезии, связи, наблюдения, управления, спасения и т.д., динамично развивается. В ближайшие годы использование спутниковых технологий станет новой постоянной и естественной потребностью людей. Доступ к ним будет не просто вопросом качества жизни отдельного человека или фактором, влияющим на конкурентоспособность компаний и выпускаемой ими продукции, но и необходимым условием функционирования транспорта, производства, систем управления и безопасностью любого развитого государства.

Можно сказать, что сейчас мир стоит на пороге создания международной, глобальной, многофункциональной. Интегрированной спутниковой системы. Уже обсуждаются, например, преимущества в использовании навигационных сигналов сразу нескольких радионавигационных спутниковых систем.

Предложенная инженерная реализация глобальной спутниковой системы навигации, персональной подвижной связи и спутниковой системы автоматического зависимого наблюдения и управления воздушным движением, а также спасения, дает реальную возможность создать российскую конкурентоспособную систему.
Заключение

Разработанные алгоритмы навигационных измерений и определений в ГППССНиН позволяет производить определение дальности по приращениям фазы несущих спутниковых связных радиосигналов, обусловленных доплеровским сдвигом частоты с сантиметровой точностью, а также производить с высокой достоверностью высокоточное определение координат местоположения фазового центра антенн СР (эфемериды) и координат местоположения фазового центра антенн абонентов в условиях, когда в зоне радиовидимости каждого СР находится одна РС, а в зоне радиовидимости каждого абонента находится один СР. Высокая точность и достоверность достигаются:

• 
  за счет мгновенного высокоточного определения навигационных параметров, т.е. мгновенного установления трех навигационных уравнений и определения эфемерид СР;
  
• 
  за счет мгновенного определения абонентами эфемерид в АА непосредственно в процессе сеанса связи и в системе координат с высокой степенью геоцентричности, обусловленной привязкой систем навигационных уравнений к центру масс Земли;
  

1. 
   Я. Баранов, Ю. Перов. «Глобалстар» для российских регионов // Электросвязь. – 2002. - № 4.
   
2. 
   Спутниковые системы связи и вещания 2011. – М.: Издательство «Радиотехника», 2011.
   
3. 
   А.Б. Антонян, Н.В. Волчкова. Спутниковые системы с использованием низких и средних орбит: области применения, услуги и потребности // Электросвязь. – 1999. - №4.
   
4. 
   Ю.Б. Зубарев, А.И. Аболиц. Персональная спутниковая связь в России: есть вопросы // Электросвязь. - 2000. - № 4.
   
5. 
   В.П. Артемьев. Вступление России во Всемирную торговую организацию важнейший фактор глобализации российских телекоммуникаций // Электросвязь. – 2002. - № 5.
   
6. 
   Джо Фии (Joe Fee). У НАС! … А У ВАС. Спутниковая навигация. Новости Аэронавигации, 2002, № 2.
   
7. 
   Ein europaisches Satelitennavigationsystem. Unkelbach Werner. Eisenbahningenieur. 2002, 53, № 3, c.12, 14, 16. Библ. 4. Нем.
   
8. 
   Robert Wall USAF Renews. Aviation Weck and Space Technology, may 20, 2002.
   
9. 
   Н.М. Анцибор, М.И. Жодзишский. Измерение частоты сигнала на фоне шума с помощью цифровых систем ФАПЧ. Радиотехника, № 5, 1979.
   
10. 
    Справочник. Цифровые радиоприемные системы под редакцией М.И. Жодзишского. – М.: Радио и связь, 1990.
    
11. 
    П.А. Агаджанов, Н.М. Барабанов и др. Космические траекторные измерения. – М.: Советское радио, 1993.
    
12. 
    П.Е. Эльясберг. Введение в теорию полета искусственных спутников Земли. – М.: Наука, 1965.
    
13. 
    В.С. Волосов, Ю.С. Дубинко и др. Судовые комплексы спутниковой навигации. – Ленинград, Судостроение, 1976.
    
14. 
    Н.Е. Армизонов, А.Г. Козлов, А.Н. Армизонов, М.К. Чмых. Способ определения координат составляющих вектора скорости, дальности и траекторных измерений навигирующимся объектом по навигационным радиосигналам космических аппаратов спутниковых радионавигационных систем. Патент № 2152048 (МПК G01S 5/00, 2000, RU).
    
15. 
    Н.Е. Армизонов, А.Г. Козлов, А.Н. Армизонов, М.К. Чмых. Способ определения ориентации объектов в пространстве, дальности, пеленга, координат местоположения и составляющих вектора скорости по навигационным радиосигналам космических аппаратов спутниковых навигационных систем. Патент № 2152625 (МПК G01S 5/02, 2000, RU).
    
16. 
    А.Н. Армизонов. Способ определения координат местоположения, составляющих вектора скорости фазовых центров антенн спутниковых источников навигационных сигналов и фазовых центров антенн навигационной аппаратуры пользователей спутниковых радионавигационных систем. Патент № 2210788 (МПК G01S 5/00, 2001, RU).
    
17. 
    Ю.М. Казаринов, Ю.А. Коломенский и др. Радиотехнические системы. – М.: Советское радио, 1968.
    
18. 
    И.Н. Бронштейн, К.А. Семендяев. Справочник по математике. – М.: Наука, 1980.
    
19. 
    Глобальная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. – М.: КНИЦ, 2009 (редакция 5.1).
    
20. 
    А.П. Манин, Л.М. Романов. Методы и средства относительных определений в системе NAVSTAR. Зарубежная радиоэлектроника, 1989, № 1.
    
21. 
    Ю.П. Гришин, В.П. Ипатов, Ю.М. Казаринов и др. Радиотехнические системы. – М.: Высшая школа, 1990.