ГЛОНАСС

ГЛОНАСС: аппаратура пользователя определяет координаты, скорость, время.

Навигационная аппаратура пользователей (НАП) системы ГЛОНАСС предназначена для высокоточного определения координат и скорости перемещения объектов, находящихся на поверхности Земли и воздушном пространстве. Следует отметить, что функциональные возможности НАП с каждым годом расширяются. Современная аппаратура позволяет пользователю в любой момент с высокой точностью определять свое местоположение, скорость движения, знать точное время, пройденное расстояние, рассчитывать дистанцию между заданными точками и координаты этих точек, время прибытия в определенный пункт. И это еще не все. На отображающем устройстве в нужный момент появится линия отклонения от намеченного курса.
При этом многие выпускаемые промышленностью аппараты носят универсальный характер — они могут, например, использоваться на автотранспорте (общественных, личных автомобилях), а также яхтах, катерах.

Принципы работы

Каким же образом система ГЛОНАСС обеспечивает определение всех перечисленных параметров? Заметим, прежде всего, что для этого в зоне видимости должно находиться не менее четырех спутников. Для точного вычисления координат передаются значения X, Y, Z. Аппаратура пользователя измеряет расстояния до спутников по величине задержки распространения их сигналов. При этом решается система линейных уравнений движения спутника по алгоритму, который при небольшом количестве вычислений обеспечивает необходимую точность.

Скорость определяется по доплеровскому сдвигу несущей частоты сигнала спутника, который измеряется при сопоставлении частот сигналов, принимаемых от спутника и генерируемых в НАП.

Кроме того сигналы со спутника несут навигационную информацию, передаваемую со скоростью 50 бит/с. Сообщения имеют в своем составе также информацию о положении и состоянии спутников системы ГЛОНАСС и времени.

Информация о времени передается пользователю со спутника в виде секундной метки, соответствующей определенной фазе модулирующего кода. Номер секунды в пределах суток и поправка на уход часов спутника относительно системного времени передаются в составе навигационного сообщения.

НАП определяет задержку (псевдодальность) распространения метки времени, которая является, по существу, разностью между временем потребителя в момент прихода метки и временем спутника в момент ее передачи, известным пользователю.

Приёмная аппаратура

В простейших вариантах аппаратуры обеспечивается автономная ее работа, но с выбором системы координат, которая осуществляется оператором, после чего система координат и время высвечиваются на индикаторе.

В более сложных моделях основная аппаратура может сопрягаться с автопрокладчиком маршрутов, передатчиками подвижных объектов (самолетов, морских судов), системами связи и т.д. Результаты измерений обычно выдаются на табло индикаторов или документируются на принтерах.

Совершенно естественно, что разработчики аппаратуры пользователя стремятся к улучшению ее технико-экономических показателей. При этом главной тенденцией при создании НАП является унификация аппаратного базиса, основа которой — выбор оптимальной архитектуры, создание блочных конструкций, не требующих полной замены системы при модификации отдельных ее составных частей.

В типовой состав аппаратуры НАП входят:

  • антенна
  • приемное устройство
  • вычислитель
  • устройство индикации или документирования
  • встроенные элементы управления.


Все это, кроме антенны, как правило, конструктивно представляет собой один блок. Базовая часть, кроме различных типов антенн, молет дополняться блоками интерфейса, индикации, пультами управления, программными модулями.

Анализ современной аппаратуры пользователей, выпускаемой за рубежом и в России, показал, что практически вся электронная часть приемного устройства основывается на применении технологий микроволновых монолитных интегральных схем и быстродействующих процессов обработки сигналов.

В общем виде навигационная аппаратура пользователя представляет собой совокупность измерителей фазы, времени задержки прихода сигналов и устройств, преобразующих результаты измерений в навигационные параметры.

На практике нашла применение двухэтапная обработка сигналов со спутника. При первичной обработке осуществляется оценка радионавигационных параметров, а при вторичной — производится преобразование их в координаты, скорость, время, что нужно знать пользователю. Весь вычислительный процесс един: от начала приема сигналов со спутников до отображения необходимых параметров на индикаторах или регистраторах.

Поступающие на вход антенны сигналы со спутников в диапазоне частот 1600 МГц модулированы псевдослучайными последовательностями (ПСП). После антенны, обеспечивающей всенаправленный прием, они усиливаются, преобразуются в приемном устройстве и поступают в специальный процессор, на котором производится цифровая обработка сигнала. Он же осуществляет поиск и сопровождение сигналов. Вторичная обработка производится в навигационном процессоре.

В НАП также формируются копии этих ПСП для каждого из сигнала спутников, согласовывая их по временному положению. Для этого в сигнальном процессоре имеется генератор ПСП.

Для выработки сетки рабочих частот и прецизионных измерений опорный генератор НАП выдает высокостабильный сигнал тактовой частоты с кратковременной нестабильностью до 1.10 в -11 степени.

Уровень входного сигнала при минимальных углах возвышения (5…10 градусов) составляет около 160 дБВт.

В связи с разнообразием по назначению в НАП используются различные типы антенн: спиральные, рамочные, штыревые, щелевые, микрополосковые.

Коэффициент усиления приемника должен обеспечивать нормальное функционирование аналогово-цифровых преобразователей при любых изменениях окружающих условий и длины кабеля до антенны. Поэтому в приемнике применяется автоматическая регулировка усиления, которая поддерживает необходимый уровень сигнала на входе процессора.

В процессоре обработка сигнала производится со скоростью до 5 Мбит/с. «Память» строится на 16-разрядных словах.

Как уже было сказано, необходимые арифметико-логические операции вторичной обработки сигналов обеспечиваются навигационным процессором, в котором производится дешифрация навигационного сообщения, коррекция на текущую дату, обработка альманаха (данных о положении всех спутников системы, находящихся на орбитах) и другие операции.

Отображение информации

В составе навигационного процессора имеется также интерфейсный блок для связи с устройствами отображения.

Существуют два основных класса устройств отображения данных: комбинированные, на которые, кроме навигационной информации, выводятся и другие характеристики подвижного объекта; специализированные, с индикацией только навигационных параметров.

В зависимости от назначения аппаратуры ее питание осуществляется либо от сети постоянного тока (от аккумуляторов), либо от сети переменного тока транспортного средства.

Для проектирования функциональных программ используется современный математический язык высокого уровня.

Вся аппаратура разрабатывается с учетом международных стандартов, в том числе с учетом требований морского и авиационного стандартов RTCM и ARINK-743A. Заказчик навигационной аппаратуры выбирает ее с учетом условий эксплуатации и конкретных требований к ней будущих пользователей.

На скоростных и высокоманевренных летательных аппаратах, таких как самолеты, устанавливается аппаратура с параллельной обработкой сигналов, имеющая 12-16 каналов приема. На малоскоростных или стационарных объектах может использоваться одно- и двухканальная аппаратура с последовательной или мультиплексной обработкой.

НАП первого типа обеспечивает слежение за спутниками при движении с большими перегрузками и резкими изменениями углов визирования спутников. Их достоинством является исключение срывов сеансов, надежная работа при наличии слабых сигналов, малое время наблюдения спутника (обсервации).

Для повышения точности обсервации и удобства в работе используются методы дифференциальной коррекции с введением в НАП поправок от наземных станций. Приемное устройство такой НАП имеет устройство ввода таких поправок. Дифференциальный режим позволяет исключить из составляющих ошибки измерения псевдодальности, составляющие погрешность за счет эфемерид, рефракции распространения радиоволн в атмосфере, многолучевости распространения, а так же некоторые аппаратурные ошибки.