CC BY
358
УДК 621.396
ЛАЗЕРНЫЙ ГЛОНАСС
В. Д. Шаргородский1, В. Е. Косенко2, М. А. Садовников1, А. А. Чубыкин1, В. И. Мокляк2
1ОАО «Научно-производственная корпорация «Системы прецизионного приборостроения»
Россия, 111024, Москва, ул. Авиамоторная, 53 2ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52. E-mail: vim@iss-reshetnev.ru
«Лазерный ГЛОНАСС» - это совокупность методов и технических средств на основе использования которых, погрешность космического сегмента ГЛОНАСС уменьшена. Создание и полномасштабное развертывание бортовых и наземных систем лазерного ГЛОНАСС может рассматриваться как эффективный ассимет-ричный ответ конкурирующим системам (GPS, Galileo и др.), в части обеспечения точности космического сегмента.
Создание опытных и серийных образцов бортовой и наземной лазерной аппаратуры предусмотрено ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг.».
Вопрос создания лазерного ГЛОНАСС и, следовательно, достижения мирового лидерства в части потенциальной точности эфемеридно-временного обеспечения - реальная перспектива ближайшего времени.
Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС), координатно-временное и навигационное обеспечение (КВНО), эфемеридно-временное обеспечение (ЭВО), глобальная навигационная спутниковая система США (GPS), эквивалентная погрешность дальности за счет космического сегмента (UERE), погрешность за счет космического сегмента, лазерные измерения.
LASER GLONASS
V. D. Shargorodsky1, V. E. Kosenko2, M. A. Sadovnikov1, A. A. Chubikin1, V. I. Moklyak2
1 Joint-Stock Company “Research and Precision Corporation “Precision Systems and Instruments”
53 Aviamotornaya str., Moscow, 111024, Russia 2 JSC “Academician M. F. Reshetnev “Information Satellite Systems”
52 Lenin str., Zheleznogorsk, Krasnoyarsk region, 662972, Russia. E-mail: vim@iss-reshetnev.ru
“Laser GLONASS” is a complex of techniques and technical means, on the basis of which the GLONASS signal-in-space error will be radically reduced. Creation and full deployment of onboard and ground laser GLONASS systems may be recognized as an effective and asymmetrical response to the competing systems (GPS, Galileo, etc.) concerning provision of the space segment precision.
Development of prototypes and production samples of onboard and ground laser equipment is foreseen by the «Maintenance, development and use of the GLONASS system for 2012-2020» Federal Program.
The problem of laser GLONASS development and therefore achievement of the worldwide leadership in the field of potential ephemeris-timing provision is the real prospective of the nearest time.
Keywords: Global Navigation Satellite System (GNSS); Positioning, Navigation and Timing (PNT); Global Positioning System (GPS); User Equivalent Range Error (UERE), laser ranging. Signal-in-space error, Intersatellite Laser Navigation Link System.
Для достижения высоких точностных характери- лей. Наибольший вклад в баланс погрешностей опре-
стик глобальной навигационной спутниковой систе- деления местоположения потребителя вносит помы ГЛОНАСС, предусмотренных основными показа- грешность космического сегмента, то есть орбиталь-
телями Федеральной целевой программы (ФЦП) ной группировки навигационных космических аппа-
«Поддержание, развитие и использование системы ратов и наземного комплекса управления. Совокуп-
ГЛОНАСС» на период до 2020 года и соответствую- ность методов и технических средств на основе ис-
щими техническими заданиями, предполагается соз- пользования которых указанная погрешность будет
дание лазерных средств, реализующих прорывные радикально уменьшена, получила определение
информационно-измерительные технологии. «Лазерный группировки ГЛОНАСС».
Ключевой проблемой, которая должна быть реше- Создание и полномасштабное развертывание борна при выполнении Федеральной целевой программы товых и наземных лазерных средств ГЛОНАСС могут
ГЛОНАСС в 2012-2020 гг., является обеспечение рассматриваться как эффективный асимметричный
конкурентоспособной точности навигации потребите- ответ конкурирующим системам (GPS, Galileo и др.).
На базе средств лазерного ГЛОНАСС возможно не только обеспечение паритета ГЛОНАСС в части точности космического сегмента, но и достижение мирового лидерства по точности спутниковой навигации потребителей.
К показателям, которые могут быть достигнуты, на требуемом ФЦП уровне при обязательном использовании лазерных средств относится, в частности, доведение погрешности определения местоположения в реальном времени в Государственной геоцентрической системе координат (ГГСК) за счет космического сегмента (потенциальная координатная погрешность ГЛОНАСС) до следующих показателей:
а) без использования дополнительных систем -до 0,6 м (базовое значение погрешности - 2,8 м);
б) с использованием дополнительных систем в оперативном режиме - до 0,1 м (базовое значение -1,0 м), а в апостериорном режиме - до 0,03 м (базовое значение - 0,1 м).
Кроме того, ФЦП предполагает уменьшение времени предупреждения потребителей о нарушении целостности навигационного обеспечения до 6 с (базовое значение - 10,0 с) и снижение погрешности определения времени потребителя в системной шкале времени за счет космического сегмента (потенциальная временная погрешность ГЛОНАСС) до 1,0 нс (базовое значение -5,0 нс) [1].
ФЦП также ориентирует на получение измерительных данных для достижения требуемой точности определения параметров вращения Земли; уменьшении погрешности привязки государственной геоцентрической системы координат к центру масс Земли -до 0,01 м (базовое значение - 0,5 м); снижение погрешности Государственной геоцентрической системы координат, реализуемой системой ГЛОНАСС, -до 0,02 м (базовое значение - 0,2 м).
Качество решения этих задач однозначно определяет потенциальную точность и надежность решения потребителем навигационных задач.
С целью уменьшения координатной и временной погрешностей определения местоположения потребителя за счет космического сегмента до сантиметровых и субнаносекундных уровней ОАО «НПК «СПП» разработаны новые лазерные и информационные технологии.
Это, в частности:
- технология проведения нового типа измерений
- однопутевых (односторонних) дальностей с информационным обменом в оптическом диапазоне для решения задач оперативного эфемеридно-временного обеспечения;
- технология геодезического обеспечения ГЛОНАСС на основе использования сети станций лазерной дальнометрии эталонных спутников совместно с системами радиоинтерферометров со сверх-длинными базами и беззапросными измерительными системами с целью получения данных колокации для уточнения фундаментальных геодезических параметров, в том числе координат пунктов, а также высокоточного прогнозирования параметров вращения Земли;
- технология прецизионной обработки разнотипных измерительных данных для высокоточного (сантиметрового) уровня определения эфемерид и временных поправок космических аппаратов системы ГЛОНАСС.
Задача обеспечения точности эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС является чрезвычайно сложной, имеющей специфические особенности, присущие только системе ГЛОНАСС: частотное разделение сигналов, обеспечение управления и эфемеридно-временного обеспечения с территории РФ и др.
По сравнению с ГЛОНАСС, система GPS (США) имеет ряд очевидных преимуществ в части ЭВО. GPS располагает глобальной сетью станций наземной информационной поддержки, равномерно размещенных вдоль экватора, что дает возможность выполнения на одном витке неоднократной коррекции бортовой шкалы времени (БШВ) КА. Для российской системы такие станции расположены только на территории Российской Федерации. В результате на витке возможна только одна коррекция временной информации.
В основе принципа лазерных измерений лежит измерение времени распространения коротких лазерных импульсов в одно- и двухпутевой локации.
При двухпутевой локации лазерный импульс излучается наземным дальномером, достигает спутника и, отразившись от панели ретрорефлекторов, возвращается к дальномеру. Моменты излучения и приема лазерного импульса регистрируются в одной шкале времени. Расстояние вычисляется на основе умножения полуинтервала времени распространения на скорость света.
Односторонняя (однопутевая) дальность (псевдодальность) определяется на основе регистрации момента излучения лазерного импульса в шкале времени передающего лазерного терминала. При этом момент приема лазерного импульса регистрируется в шкале времени приемного терминала.
Состав парка технических средств лазерного ГЛОНАСС приведен на рис. 1.
В его состав входят следующие элементы:
1. Межспутниковая лазерная навигационносвязная система (МЛНСС), предназначенная для решения следующих задач [2; 3]:
- проведение высокоточных межспутниковых без-запросных измерений для оперативного эфемеридно-временного обеспечения, в первую очередь для многократного на каждом витке определения расхождения бортовых шкал времени КА с субнаносекундной точностью и последующей оперативной коррекции БШВ КА;
- обеспечение глобальности управления КА ГЛОНАСС при размещении только на территории России средств наземного комплекса для взаимной синхронизации бортовых шкал времени КА.
Экспериментальный образец МЛНСС, установленный на КА «Глонасс-М» приведен на рис. 2.
Рис. 1. Состав парка технических средств лазерного ГЛОНАСС
Функции МЛНСС реализуются на основе встречного измерения псевдодальностей между парами НКА и обмена результатами этих измерений [2].
Панель
ретрорефлекторов
МЛНСС
Рис. 2. МЛНСС и панели ретрорефлекторов на КА «Глонасс-М»
Встречные измерения дальности (и, соответственно, сдвигов бортовых шкал времени) между любыми парами космических аппаратов могут осуществляться практически с любой заранее заданной частотой. В масштабе всей орбитальной группировки, даже с учетом прерываний связи на взаимные перенацеливания аппаратуры МЛНСС, может выполняться максимальное число сеансов для определений сдвигов бортовых шкал (например, сеансы выполняются непрерывно с дискретностью 60 мин). Таким образом, при обновлении оперативной информации в навигационном кадре через 30 мин, в каждом втором нави-
гационном кадре частотно-временная информация будет корректироваться по результатам последнего проведенного сеанса лазерных межспутниковых измерений.
Для взаимной синхронизации бортовых шкал времени КА по результатам сеансов межспутниковых лазерных измерений формируется разностная навигационная функция, свободная от погрешностей эфемерид КА. Это обеспечивает определение взаимных расхождений бортовых шкал времени КА с наносе-кундной и субнаносекундной точностями.
Решение задачи определения эфемерид КА ГЛОНАСС основано на использовании дальномерной навигационной функции взаимных межспутниковых расстояний, которая не зависит от неопределенности уходов бортовых шкал времени КА.
Для передачи информации используется относительная время-импульсная модуляция, при которой информация передается путем изменения временных интервалов между соседними импульсами. Каждым импульсом может передаваться от 20 до 25 бит информации.
Установка межспутниковой лазерной навигационно-связной системы на всех КА ГЛОНАСС обеспечит достижение требуемого в ФЦП значения (не более 1,4 м к 2015 г. и не более 0,6 м к 2020 г.) погрешности определения местоположения в реальном времени за счет космического сегмента.
Результаты полного развертывания межспутниковой лазерной навигационно-связной системы и лазерных наземных измерительно-связных пунктов в составе глобальной спутниковой навигационной системы приводятся в таблице.
Эти задачи решаются на основе высокоточных встречных измерений псевдодальностей между взаи-монаведенными и находящимися в режиме автосопровождения по угловым координатам бортовыми лазерными терминалами КА «Глонасс».
Сравнительные характеристики космических навигационных систем GPS, Галилео и лазерного ГЛОНАСС
Характеристика CPS (31КА) Галилео (проект) 24 КА; модернизированный НКУ ГЛОНАСС (по ТТТ-2015г) ГЛОНАСС (лазерный; 24 МЛНСС; 6ЛНИСП)
UERE - эквивалентная погрешность псевдо-дальности за счет космического сегмента 1,1 м (2 о) 0,6 м(о) от 3 до 4 м (2о) 0,7 м (2 о) 0,1 м, не более (2 о)
Область покрытия комплекса управления Глоба- льно Глоба- льно Территория России Территория России и государств с действующими БИС Глобально (при наземной поддержке только с территории России)
Скорость передачи информации - до 0,5 кбит/с до 0,5 кБит/с до 50 кБит/с
Внутрисистемный контроль целостности навигационного поля нет нет нет нет Есть (в части ЧВО)
Рис. 3. Схема синхронизации БШВ-ШВ и передачи времени на удаленный наземный пункт с помощью беззапросной квантово-оптической системы
2. Беззапросная квантово-оптическая система
(БКОС), схема которой приведена на рис. 3.
БКОС предназначена для решения ряда задач на линии «наземный лазерный пункт - КА «Глонасс» [4; 5]:
- тарировка бортовой и калибровка наземной беззапросной радиотехнической аппаратуры в процессе летной эксплуатации;
- синхронизация пространственно удаленных наземных эталонов времени на уровне, принципиально недостижимом радиотехническими системами и возимыми стандартами частоты.
В беззапросной квантово-оптической системе реализуется способ определения расхождения бортовой и наземной шкал времени, основанный на сравнении одно- и двухпутевых дальностей, измеряемых с суб-сантиметровой точностью [4].
В состав лазерной системы контроля входят [5]:
- спутниковые лазерные дальномеры (КОС), расположенные вблизи центральных синхронизаторов КНС ГЛОНАСС;
- наземные модули (НБКОС), предназначенные для высокоточных измерений времени излучения лазерных импульсов КОС в шкале времени ЦС;
- бортовой модуль квантово-оптической системы (ББКОС), предназначенный для измерения времени прихода лазерных импульсов на борт космического аппарата ГЛОНАСС в шкале времени бортового синхронизирующего устройства.
Для экспериментальной отработки лазерной системы контроля привлекаются квантово-оптические станции, входящие в состав российской сети лазерной дальнометрии. Две из привлекаемых квантовооптических станций расположены на пунктах с центральными синхронизаторами ГЛОНАСС [5].
Экспериментальный ББКОС размещается на боковой сотопанели КА «Глонасс-М», имеет массу (с арматурой крепления) около 6,5 кг и энергопотребление около 35 Вт (с учетом системы термоста-тирования).
Рис. 4. Наземная сеть квантово-оптических систем
Основными составными частями бортового модуля являются мозаичное фотоприемное устройство и таймер, измеряющий время прихода лазерных импульсов, детектируемых фотоприемником, в шкале времени бортового синхронизирующего устройства.
Мозаичное фотоприемное устройство имеет семь каналов с раздельными приемными объективами с полем зрения около 9" и диаметром около 8 мм каждый и установленными в их фокальной плоскости лавинными фотодиодами. Пороговые дискриминаторы каналов объединены по схеме «или», поэтому в целом каналы функционируют как единое фотоприемное устройство.
Мозаичная схема была выбрана для полного перекрытия видимого диска Земли и уменьшения влияния фона солнечного излучения, рассеянного подстилающей поверхностью. Рабочая длина волны фотоприемника равна 0,532 мкм, уровень фона ограничивается интерференционным фильтром с полосой пропускания около 3 нм. Рабочий диапазон освещенностей фотоприемника, в котором обеспечивается измерение времен прихода лазерных импульсов с заданной точностью, составляет 0,02-2 фДж/мм2. Бортовое запоминающее устройство обеспечивает объем измерений до 2 миллионов импульсов в сеансе наблюдения и позволяет получать ограниченные по объему выборки из массива измерений для повышения оперативности их доставки с борта КА средствам НКУ.
Случайная погрешность однократных измерений времени прихода импульсов на борт космического аппарата определяется длительностью лазерного импульса, шумами фотоприемника, таймера и оценивается значением не более 130 пс. Для устранения переменных задержек, связанных с зависимостью изме-
ренных времен прихода от амплитуды импульсов, фотоприемные каналы снабжены устройствами измерения амплитуды, причем данные амплитудных измерений передаются в центр обработки данных в составе общего массива измерительных данных.
3. Сеть квантово-оптических систем (рис. 4), в состав каждой из которых входит лазерный дальномер, работающий по лазерным ретрорефлекторам (ЛРР), установленным на космических аппаратах, предназначенную для решения совместно с международной сетью лазерных станции следующих задач [6]:
- тарировка бортовых и калибровка радиотехнических средств запросных измерительных систем траек-торных измерений в процессе эксплуатации в части выявления систематических и медленно меняющихся погрешностей измерений с субсантиметровой точностью;
- обеспечение высокоточной координатной основы системы ГЛОНАСС, в том числе, при вводе новых средств измерений для обеспечения требуемой погрешности распространения ГГСК системой ГЛОНАСС;
- оценка погрешности передачи навигационным полем ГЛОНАСС государственной геоцентрической системы координат путем сравнения координат, получаемых по лазерным измерениям на распределенных временных интервалах, с их оценками, получаемыми с использованием данных навигационных кадров. Эффективность решения этой задачи особенно велика при использовании результатов обработки данных пунктов колокации радиоинтерферометров со сверхдлинными базами, квантово-оптических систем и беззапросных измерительных систем (БИС).
Выводы
1. Создание опытных и серийных образцов бортовой и наземной лазерной аппаратуры предусмотрено ФЦП «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 гг.».
2. Вопрос создания лазерного ГЛОНАСС и, следовательно, достижения мирового лидерства в части потенциальной точности эфемеридно-временного обеспечения - реальная перспектива ближайшего времени.
Библиографические ссылки
1. Поддержание, развитие и использование сис-
темы ГЛОНАСС : федер. целевая программа на 2012-2020 гг. [Электронный ресурс] иКЬ:
http://www.federalspace.ru/main.php?id=24.
2. Чубыкин А. А., Рой Ю. А., Корнишев О. М., Падун П. П. Использование бортовых лазерных измерительно-связных средств для повышения точности и оперативности ЭВО спутников системы ГЛОНАСС // ЭВ&ЭС. 12.07.2007. С. 25-30.
3. Шаргородский В. Д., Чубыкин А. А., Сумерин
B. В. Межспутниковая лазерная навигационно-связная система // Аэрокосмический курьер. 2007. № 1 (49).
C. 88-89.
4. Лазерная синхронизация времени / А. А. Чубыкин, В. И. Воробьев, В. И. Ефимкин и др. // НТ -сборник РКТ. Сер. VI. 1982. Вып. 3. С. 28-33.
5. Садовников М. А., Сумерин В. В. Беззапросные квантово-оптические системы контроля и передачи шкал времени ГЛОНАСС // Вестник ГЛОНАСС. 2012. № 3 (7). С. 39-42.
6. Рой Ю. А., Садовников М. А., Шаргородский В. Д. Сеть лазерной дальнометрии - основа улучшения геодезического и эфемеридно-временного обеспечения ГЛОНАСС // Вестник ГЛОНАСС. Спецвыпуск. Сентябрь 2012 г. С. 50-54.
References
1. Podderzhaniye, razvitiye i ispol'zovaniye sistemy GLONASS (Maintenance, development and use of the GLONASS system). Federal Program for 2012-2020. Available at: http://www.federalspace.ru/main.php?id=24.
2. Chubikin A. A., Roy Y. A., Kornishev O. M., Padun P. P. EV&ES, 12.07.2007, pр. 25-30.
3. Shargorodsky V. D., Chubikin A. A., Sumerin V. V. Aerokosmicheskiy kur'yer. 2007, no. 1 (49), pp. 88-89.
4. Chubikin A. A., Vorobiev V. I., Efimkin V. I. et. al. NT - RKT collected papers, 1982, vol. 3, ser. VI, pp. 28-33.
5. Sadovnikov M. A., Sumerin V. V. Vestnik GLONASS. 2012, no. 3 (7), pp. 39-42.
6. Roy Y. A., Sadovnikov M. A., Shargorodsky V. D. Vestnik GLONASS. Special bulletin, September 2012, pp. 50-54.
© Шаргородский В. Д., Косенко В. Е., Садовников М. А., Чубыкин А. А., Мокляк В. И., 2013
УДК 629 783.01:525:527
АЭРОКОСМИЧЕСКИЙ МОБИЛЬНЫЙ ИНФОРМАЦИОННЫЙ КОМПЛЕКС
В. Е. Косенко, В. И. Лавров, В. Е. Чеботарев
ОАО «Информационные спутниковые системы» имени академика М. Ф. Решетнева Россия, 662972, г. Железногорск Красноярского края, ул. Ленина, 52 E-mail: chebotarev@iss-reshetnev.ru
Проведен анализ проблем организации мобильной связи в интересах массовых потребителей и совместимости различных видов и служб связи.
Представлена архитектура перспективного аэрокосмического мобильного информационного комплекса, обеспечивающего комплексирование сотовой связи с космической связью и навигацией и размещаемого на привязном аэростате.
Такое взаимодействие является эффективным и экономичным и может повысить качество обслуживания пользователя в городской среде и в пригородных районах с помощью наземных мобильных систем связи, в то время как спутниковое обслуживание может быть использовано в сельской местности и в тех местах, где наземное мобильное обслуживание не доступно или не экономично. За счет такого объединения повышается надежность и информативность линий сотовой связи с различными стандартами.
Ключевые слова: мобильная связь, сотовая связь, космическая связь и навигация, привязной аэростат.
