СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА Российский патент 2002 года по МПК H04B7/185 G01S5/02 

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано для навигационного обеспечения объектов - потребителей навигационной информации, находящихся на земной поверхности, в воздушном и околоземном космическом пространстве.

Известна радионавигационная система "Транзит" [1], использующая интегральный доплеровский метод определения координат местоположения потребителей навигационной информации и содержащая орбитальную группировку навигационных космических аппаратов (КА) на круговых полярных орбитах высотой 1100 км, наземные станции слежения, станции ввода данных, обсерваторию службы времени, вычислительный центр и аппаратуру потребителей навигационной информации.

Реализованный в указанной системе интегральный доплеровский метод определения координат местоположения потребителя навигационной информации состоит в том, что интегрирование доплеровского смещения частоты колебаний, принятых за некоторый интервал времени аппаратурой потребителя от навигационного КА, позволяет определить разность расстояний от потребителя навигационной информации до двух положений навигационного КА, отделенных этим интервалом времени. Разность расстояний определяет гиперболоид вращения, пересечение которого с земной поверхностью образует одну из линий положения. Второе измерение разности расстояний дает вторую линию положения, пересечение которой с первой определяет координаты местоположения потребителя навигационной информации.

Основные недостатки системы "Транзит" состоят в том, что она не позволяет определять местоположение потребителя навигационной информации в реальном масштабе времени, а ее орбитальная группировка навигационных КА характеризуется низкой живучестью, так как все навигационные КА системы могут быть выведены из строя с помощью одного противоспутникового средства противника, расположенного, например, в районе одного из полюсов Земли и имеющего дальность поражающего действия порядка 1000-1500 км.

Наиболее близкой по технической сущности к заявляемому изобретению является дифференциальная спутниковая радионавигационная система "Навстар" [2,3] , содержащая (см. фиг.1) навигационные космические аппараты среднеорбитального эшелона 1 на круговых наклонных орбитах высотой 20183 км, центр управления системой 2, станцию закладки информации на космические аппараты 3, контрольные станции 4, центр управления КА 5, дифференциальные станции 6, и аппаратуру потребителей навигационной информации 7 и линии связи 8, 9, 10, 11, 12, 13 между ними.

Недостатками указанной дифференциальной спутниковой радионавигационной системы являются ее низкая живучесть при воздействии противника по среднеорбитальному эшелону навигационных КА и невозможность создания навигационно-временных полей повышенной точности в глобальном масштабе, а только лишь в районах размещения наземных дифференциальных станций, т.е. только на территории страны.

Требуемый технический результат изобретения - повышение живучести орбитальной группировки навигационных КА и точности определения местоположения потребителей навигационной информации в глобальном масштабе.

Указанный технический результат достигается тем, что предлагаемая спутниковая радионавигационная система, содержащая навигационные КА среднеорбитального эшелона, центр управления системой, станцию закладки информации на космические аппараты, контрольные станции, центр управления КА, дифференциальные станции и аппаратуру потребителей навигационной информации, причем первые выходы контрольных станций и центра управления КА соединены с первым и вторым входами центра управления системой соответственно, выход которого соединен с входом станции закладки информации на КА, выход которой соединен радиолиниями с первыми входами бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К), первые выходы которых соединены радиолиниями с входами контрольных станций, дифференциальных станций и первым входом аппаратуры потребителей навигационной информации, вторые выходы бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К) соединены радиолиниями с входом центра управления КА, второй выход которого соединен радиолиниями со вторыми входами бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К), а выход дифференциальных станций соединен со вторым входом аппаратуры потребителей навигационной информации, дополнительно включает навигационные КА низкоорбитального и высокоорбитального эшелонов, КА-ретрансляторы на геостационарной орбите, причем первые выходы центра управления КА, контрольных станций и дифференциальных станций соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами центра управления системой, выход которой соединен с входом станции закладки информации на КА, выход которой соединен радиолиниями с первыми входами бортовой аппаратуры i-ых навигационных КА высокоорбитального эшелона (i=1, I), k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К) и n-ых КА-ретрансляторов на геостационарной орбите (n=1, N), выходы бортовой аппаратуры n-ых КА-ретрансляторов на геостационарной орбите (n=1, N) соединены радиолиниями с первыми входами бортовой аппаратуры j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j=1, J), второй выход центра управления КА соединен радиолиниями со вторыми входами бортовой аппаратуры i-ых навигационных КА высокоорбитального эшелона (i=1, I), k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, K) и j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j=1, J), первые выходы которых соединены радиолиниями с входом центра управления КА, вторые выходы бортовой аппаратуры i-ых навигационных КА высокоорбитального эшелона (i= 1, I) и k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К) соединены радиолиниями соответственно с первыми и вторыми входами дифференциальных станций и аппаратуры потребителей навигационной информации, третьими и четвертыми входами бортовой аппаратуры и j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j=1, J), вторые выходы бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К) соединены радиолиниями также с входом контрольных станций, третьи выходы бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k=1, К) соединены радиолиниями с пятыми входами бортовой аппаратуры и j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j= 1, J), вторые входы которой соединены радиолиниями с четвертым входом аппаратуры потребителей навигационной информации, при этом высокоорбитальный и среднеорбитальный эшелоны навигационных КА выполнены в виде совокупности навигационных КА, расположенных в нескольких орбитальных плоскостях по одному КА в каждой, причем наклонения орбитальных плоскостей и фазовый угол между КА, лежащими в соседних плоскостях, выбраны из условия максимизации минимального расстояния между сближающимися КА за весь период их обращения по орбитам, а высокоорбитальный эшелон навигационных КА размещен на круговых наклонных орбитах высотой более 100000 км.

Состав предлагаемой спутниковой радионавигационной системы представлен на фиг. 2. Навигационные КА среднеорбитального эшелона 1 предназначены для создания на земной поверхности, в воздушном и околоземном космическом пространстве навигационно-временного поля с заданными характеристиками, обеспечивающими возможность решения различных навигационно-временных задач потребителями навигационной информации, таких как определения координат местоположения потребителя и составляющих вектора скорости его движения в глобальном масштабе, а также для ретрансляции сообщений, поступающих со станции закладки информации на КА 3, на навигационные КА низкоорбитального эшелона 14. Среднеорбитальный эшелон навигационных КА 1 представляет собой многоплоскостную систему с одним навигационным КА в каждой из 18 наклонных плоскостей. Все орбиты круговые с высотой порядка 20000 км. Плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 20 град. друг относительно друга и наклонены к плоскости экватора на 55 град. Фазовый сдвиг по аргументу широты навигационных КА, лежащих в соседних орбитальных плоскостях увеличивается на 280 град. от одной плоскости к другой, лежащей восточное. При этом обеспечивается наблюдение в любой точке земной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства одновременно не менее 5-ти навигационных КА среднеорбитального эшелона. Аппаратура навигационных КА среднеорбитального эшелона позволяет поддерживать высокую точность бортовой шкалы времени за счет использования цезиевых и рубидиевых стандартов частоты, записывать данные, поступающие из центра управления системой 2 для формирования навигационного сообщения, в процессор КА, корректировать бортовую шкалу времени по командам с Земли, формировать навигационные сообщения и излучать их в направлении потребителей навигационной информации, а также ретранслировать сообщения, поступающие из центра управления системой 2, на навигационные КА низкоорбитального эшелона 14. Навигационное сообщение каждого навигационного КА среднеорбитального эшелона 1 содержит информацию о точных отсчетах времени системы и точных координатах навигационного КА в эти моменты времени, что позволяет создать пространственное навигационно-временное поле с заданными характеристиками в глобальном масштабе.

Контрольные станции 4 предназначены для автоматического слежения за сигналами навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 и сбора информации, необходимой для определения эфемерид и поправок к бортовому времени навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 относительно времени системы. Контрольные станции 4 управляются непосредственно из центра управления системой 2, причем на каждой контрольной станции устанавливается высокоточная аппаратура потребителя навигационной информации, высокостабильный стандарт частоты с устройством формирования временной шкалы, датчики внешних (метеорологических) данных и процессор вычислителя с интерфейсом. Датчики внешних данных фиксируют метеорологическую информацию, которая используется в центре управления системой 2 для коррекции тропосферных погрешностей измеряемых навигационных параметров. Процессор вычислителя управляет сбором и накоплением всех данных и по запросу выдает их через интерфейс в центр управления системой 2.

Центр управления системой 2 предназначен для сбора и обработки данных, поступающих от контрольных станций 4, необходимых для вычисления прогнозируемых эфемерид и параметров модели бортовых часов навигационных КА среднеорбитального эшелона 1, сбора и обработки данных, поступающих от наземного эшелона дифференциальных станций 6, необходимых для вычисления прогнозируемых эфемерид навигационных КА высокоорбитального эшелона 15 с использованием метода фазовой интерферометрии со сверхдлинными базами, а также для определения высокоточных поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 и высокоорбитального 15 эшелонов с использованием метода вычисления первой и второй разностей псевдодальностей до навигационных КА. Центр управления системой 2 вырабатывает также сообщения для каждого навигационного КА системы и через станцию закладки информации на КА 3 записывает их в процессоры навигационных КА.

Станция закладки информации на КА 3 предназначена для закладки в процессоры навигационных КА системы сообщений, поступающих из центра управления системой 2, причем закладка сообщений их в процессоры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14 осуществляется станцией закладки информации на КА 3 через навигационные КА среднеорбитального эшелона 1 или КА-ретрансляторы на геостационарной орбите 16.

Центр управления КА 5 предназначен для резервной закладки в процессоры навигационных КА системы сообщений, поступающих из центра управления системой 2, в случае неисправности станции закладки информации на КА 3, а также для закладки рабочих программ на навигационные КА системы и управления их работой.

Дифференциальные станции 6 предназначены для приема сигналов навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделения из них навигационных сообщений, измерения радионавигационных параметров (псевдодальностей до навигационных КА), обработки полученных данных с целью определения поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА, необходимых для коррекции ошибок определения координат местоположения потребителей навигационной информации, вызванных погрешностями в определении прогнозируемых эфемерид навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и уходом их бортовых шкал времени относительно времени системы, и передачи этих поправок в аппаратуру потребителей навигационной информации 7. Дифференциальные станции 6 передают также измеренные псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов в центр управления системой 2 для определения текущих эфемерид навигационных КА высокоорбитального эшелона 15 методом фазовой интерферометрии со сверхдлинными базами, вычисления их прогнозируемых эфемерид и для определения высокоточных поправок к измеренным псевдодальностей до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов с использованием метода вычисления первой и второй разности псевдодальностей до навигационных КА. Местоположение каждой дифференциальной станции на местности определено с точностью порядка долей метра с использованием методов топогеодезии, причем наземный эшелон дифференциальных станций 6 реализуется на базе передающих радионавигационных станций сверхдлинноволнового (СДВ) диапазона типа "Лоран-С", что позволяет осуществлять передачу поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА в длинноволновом (ДВ) диапазоне до всех потребителей навигационной информации, в том числе и тех, которые находятся вне зоны прямой видимости дифференциальной станции. На каждой дифференциальной станции устанавливается высокоточная аппаратура потребителей навигационной информации, высокостабильный стандарт частоты с устройством формирования временной шкалы, процессор вычислителя и радиопередающее устройство. Аппаратура потребителей навигационной информации принимает сигналы навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделяет из них навигационные сообщения и измеряет псевдодальности до навигационных КА. Процессор вычислителя на основании точно известного местоположения дифференциальной станции и измеренных псевдодальностей до навигационных КА определяет погрешности в измеренных псевдодальностях до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и через радиопередающее устройство ДВ диапазона передает эти поправки к измеренным псевдодальностям потребителям навигационной информации. Измеренные псевдодальности до навигационных КА с дифференциальных станций 6 поступают в центр управления системой 2, где методом фазовой интерферометрии со сверхдлинными базами [4] определяются текущие эфемериды навигационных КА высокоорбитального эшелона 15, вычисляются их прогнозируемые эфемериды и закладываются в процессоры эфемериды навигационных КА высокоорбитального эшелона 15. Кроме того, измеренные псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, переданные с дифференциальных станций 6 в центр управления системой 2, используются для высокоточного определения текущих эфемерид этих КА методом вычисления первой и второй разности псевдодальностей до навигационных КА [5] и вычисления поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, которые закладываются в процессоры эфемериды навигационных КА низкоорбитального эшелона 14.

Аппаратура потребителей навигационной информации 7 предназначена для приема сигналов навигационных КА системы и дифференциальных станций 6 с целью выделения из них навигационных сообщений, измерения радионавигационных параметров (псевдодальностей до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов) и поправок к измеренным псевдодальностям, обработки результатов измерений для определения координат местоположения потребителя навигационной информации и составляющих вектора скорости его движения, а также поправок по скорости и по частоте к местному хранителю времени и опорному генератору.

Навигационные КА низкоорбитального эшелона 14 предназначены для навигационного оборудования ближнего космоса с целью повышения прецезионности навигационного поля, создаваемого навигационными КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, в глобальном масштабе, чего нельзя достичь использованием только наземных дифференциальных станций. Низкоорбитальный эшелон навигационных КА 14 представляет собой многоплоскостную систему с одним навигационным КА в каждой из 27 наклонных орбитальных плоскостей. Все орбиты круговые с высотой порядка 1300 км. Плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 13,33 град. друг относительно друга и наклонены к плоскости экватора на 58,2 град. Фазовый сдвиг по аргументу широты навигационных КА, лежащих в соседних орбитальных плоскостях увеличивается на 240 град. от одной плоскости к другой, лежащей восточное. При этом обеспечивается наблюдение в любой точке земной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства одновременно не менее 2-х навигационных КА низкоорбитального эшелона 14. На каждом таком КА установлены высокоточная аппаратура потребителя навигационной информации, высокостабильный стандарт частоты с устройством формирования временной шкалы, процессор вычислителя и радиопередающее устройство. Аппаратура потребителя навигационной информации, представляющая собой мультиплексный приемник навигационных сообщений, предназначена для приема сигналов всех навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, находящихся в зоне радиовидимости навигационного КА низкоорбитального эшелона, с целью выделения из них навигационных сообщений, измерения псевдодальностей до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и определения координат местоположения навигационного КА низкоорбитального эшелона на орбите, составляющих вектора скорости его движения, а также поправок по времени и по частоте к бортовому хранителю времени и опорному генератору с учетом поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, поступающих из центра управления системой 2. Процессор вычислителя на основании известных текущих эфемерид навигационного КА низкоорбитального эшелона рассчитывает его прогнозируемые эфемериды на весь последующий виток по орбите. Высокоточное определение местоположения навигационных КА низкоорбитального эшелона 14 на орбите позволяет использовать их в качестве орбитальных дифференциальных станций, для чего аппаратура потребителя навигационной информации, расположенная на навигационном КА низкоорбитального эшелона, принимает сигналы навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделяет из них навигационные сообщения и измеряет псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов. Процессор вычислителя на основании точно известного положения на орбите навигационного КА низкоорбитального эшелона и измеренных псевдодальностей до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов определяет погрешности в измеренных псевдодальностях и через радиопередающее устройство передает поправки к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов в аппаратуру потребителей навигационной информации 7, находящихся в зоне радиовидимости навигационного КА низкоорбитального эшелона. Таким образом, использование навигационных КА низкоорбитального эшелона в качестве орбитальных дифференциальных станций позволяет повысить прецезионность навигационного поля, создаваемого среднеорбитальным 1 и высокоорбитальным 15 эшелонами навигационных КА, в глобальном масштабе.

Навигационные КА высокоорбитального эшелона 15 предназначены для создания на земной поверхности, в воздушном и околоземном космическом пространстве навигационно-временного поля с заданными характеристиками, обеспечивающими возможность решения различных навигационно-временных задач потребителями навигационной информации, таких как определения координат местоположения потребителя и составляющих вектора скорости его движения в глобальном масштабе, в случае вывода из строя полностью или частично среднеорбитального эшелона навигационных КА 1. Высокоорбитальный эшелон навигационных КА 15 представляет собой многоплоскостную систему с одним навигационным КА в каждой из 13-ти наклонных орбитальных плоскостей. Все орбиты круговые с высотой порядка 200000 км. Плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 27,51 град. друг относительно друга и наклонены к плоскости экватора на 57,64 град. Фазовый сдвиг по аргументу широты навигационных КА, лежащих в соседних орбитальных плоскостях увеличивается на 137,6 град. от одной плоскости к другой, лежащей восточнее. При этом обеспечивается наблюдение в любой точке земной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства одновременно не менее 5-ти навигационных КА высокоорбитального эшелона 15. Аппаратура навигационного КА высокоорбитального эшелона позволяет поддерживать высокую точность бортовой шкалы времени за счет использования цезиевых и рубидиевых стандартов частоты, записывать данные, поступающие из центра управления системой 2 для формирования навигационного сообщения, в процессор КА, корректировать бортовую шкалу времени по командам с Земли, формировать навигационные сообщения и излучать их в направлении потребителей навигационной информации, а также определять положение на орбите навигационного КА высокоорбитального эшелона по астроориентирам с использованием бортовых астродатчиков, в случае вывода из строя наземного комплекса управления или при функционировании навигационного КА высокоорбитального эшелона в режиме радиомолчания. Навигационное сообщение каждого навигационного КА высокоорбитального эшелона содержит информацию о точных отсчетах времени системы и точных координатах навигационного КА в эти моменты времени, что позволяет создать пространственное навигационно-временное с заданными характеристиками в глобальном масштабе.

Космические аппараты-ретрансляторы на геостационарной орбите 16 предназначены для закладки в процессоры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14 сообщений, поступающих через станцию закладки информации на космические аппараты 3 из центра управления системой 2, и представляют собой спутниковую систему, состоящую из двух КА-ретрансляторов, расположенных на геостационарной орбите и максимально разнесенных друг относительно друга при условии их одновременного наблюдения со станции закладки информации на космические аппараты 3.

Линии связи 8 между навигационными КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов с одной стороны и контрольными станциями 4, дифференциальными станциями 6, навигационными КА низкоорбитального эшелона 14 и аппаратурой потребителей навигационной информации 7 с другой стороны предназначены для передачи навигационных сигналов и представляют собой радиолинии, работающие на двух несущих частотах L1=1575 МГц и L2=1227,6 МГц.

Линии связи 9 между станцией закладки информации на КА 3 с одной стороны и КА-ретрансляторами на геостационарной орбите 16, навигационными КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов с другой стороны предназначены для закладки данных в процессоры навигационных КА системы и представляют собой радиолинии, работающие в диапазоне частот S1=1750-1850 МГц.

Линии связи 10 между центром управления КА 5 с одной стороны и навигационными КА низкоорбитального эшелона 14, среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов с другой стороны предназначены для резервной закладки сообщений в процессоры навигационных КА системы и представляют собой радиолинии, работающие в диапазоне частот S1=1750-1850 МГц.

Линии связи 11 между навигационными КА низкоорбитального эшелона 14, среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов с одной стороны и центром управления КА 5 с другой стороны предназначены для приема данных с навигационных КА системы и представляют собой радиолинии, работающие в диапазоне частот S2=2200-2300 МГц.

Линии связи 12 между дифференциальными станциями 6 и аппаратурой потребителей навигационной информации 7 предназначены для передачи поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА и представляют собой радиолинии, работающие в СДВ диапазоне.

Линии связи 13 между центром управления системой с одной стороны и станции закладки информации на космические аппараты 3, контрольными станциями 4, между центром управления КА 5 и дифференциальными станциями 6 с другой стороны предназначены для обмена данными, передачи команд управления и представляют собой стандартные каналы передачи данных.

Линии связи 17 между навигационными КА среднеорбитального эшелона 1, КА-ретрансляторами на геостационарной орбите 16 с одной стороны и навигационными КА низкоорбитального эшелона 14 с другой стороны предназначены для закладки данных в процессоры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14, поступающих из центра управления системой 2 через станцию закладки информации на КА 3, и представляют собой радиолинии, работающие в диапазоне частот S1=1750-1850 МГц.

Линия связи 18 между навигационными КА низкоорбитального эшелона 14 и аппаратурой потребителей навигационной информации 7 предназначена для передачи поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и представляет собой радиолинию, работающую на несущей частоте L1=1575,42 МГц.

Взаимосвязь элементов спутниковой радионавигационной системы показана на фиг. 2. Центр управления системой 2 осуществляет обмен данными по линиям связи 13 с контрольными станциями 4, центром управления КА 5 и дифференциальными станциями 6. Выход центра управления системой 2 через линию связи 13 подключен к входу станции закладки информации на КА 3, выход которой через линии связи 9 подключен к входам бортовой аппаратуры КА-ретрансляторов на геостационарной орбите 16 и первым входам бортовой аппаратуры навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов. Выход центра управления КА 5 через линии связи 10 подключен ко вторым входам бортовой аппаратуры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14, среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, а ее первые выходы через линии связи 11 подключены к входу центра управления КА 5. Вторые входы бортовой аппаратуры навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов через линии связи 8 подключены к первому и второму входам дифференциальных станций 6, первому и второму входам аппаратуры потребителей навигационной информации 7, к третьему и четвертому входам бортовой аппаратуры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14. Вторые выходы бортовой аппаратуры навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 через линию связи 8 подключены также к входу контрольных станций 4. Выход дифференциальных станций 6 через линию связи 12 подключен к третьему входу аппаратуры потребителей навигационной информации 7. Выходы бортовой аппаратуры КА-ретрансляторов на геостационарной орбите 16 и третьи выходы бортовой аппаратуры навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 через линию связи 17 подключены соответственно к первым и пятым входам бортовой аппаратуры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14, вторые выходы которой через линию связи 18 подключены к четвертому входу аппаратуры потребителей навигационной информации 7.

Спутниковая радионавигационная система функционирует следующим образом (см. фиг. 2). Навигационные КА среднеорбитального эшелона 1 излучают навигационные сигналы по линиям связи 8, содержащие информацию о точных отсчетах времени системы и точном положении навигационных КА на орбите в эти моменты времени. Контрольные станции выделяют из этих сигналов навигационные сообщения, измеряют псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального эшелона 1, обрабатывают полученные данные и, на известного своего местоположения и известного текущего времени системы, определяют текущие эфемериды навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 и уход их бортовой шкалы времени относительно времени системы. Эти данные накапливаются на контрольных станциях 4 и по запросу выдаются через линию связи 13 в центр управления системой 2, где определяются прогнозируемые эфемериды навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 и параметры модели их бортовых часов. Эти данные по линии связи 13 поступают из центра управления системой 2 на станцию закладки информации на КА 3, а с нее по линии связи 9 закладываются в процессоры навигационных КА среднеорбитального эшелона 1 и используются там при формировании навигационных сообщений.

Навигационные КА высокоорбитального эшелона 15 развертываются заблаговременно и в мирное время функционируют в режиме радиомолчания. В угрожаемый период и военное время, навигационные КА высокоорбитального эшелона 15 излучают навигационные сигналы по линиям радиосвязи 8, содержащие информацию о точных отсчетах времени системы и о положении на орбите данных КА в эти моменты времени. Дифференциальные станции 6 выделяют из этих сигналов навигационные сообщения, измеряют псевдодальности до навигационных КА высокоорбитального эшелона 15 и передают эту информацию по линии связи 13 в центр управления системой 2. Центр управления системой 2 обрабатывает эту информацию и, используя метод фазовой интерферометрии со сверхдлинными базами, определяет текущие эфемериды навигационных КА высокоорбитального эшелона 15 и уход их бортовой шкалы времени относительно времени системы. На основе этих данных рассчитываются прогнозируемые эфемериды навигационных КА высокоорбитального эшелона 15 и параметры модели их бортовых часов, которые по линии связи 13 поступают из центра управления системой 2 на станцию закладки информации на КА 3, а с нее по линии связи 9 закладываются в процессоры навигационных КА высокоорбитального эшелона 15 и используются там при формировании навигационных сообщений. В мирное время, при функционировании в режиме радиомолчания, и в военное время при выводе из строя средств наземного комплекса управления, навигационные КА высокоорбитального эшелона 15 определяют свое положение на орбите по астроориентирам с использованием бортовых астродатчиков.

Дифференциальные станции 6 принимают сигналы навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделяют из них навигационные сообщения, измеряют псевдодальности до навигационных КА и обрабатывают полученные данные с целью определения погрешностей измеренных псевдодальностей. Полученные поправки к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов дифференциальные станции 6 передают по линии связи 12 потребителям навигационной информации 7. Дифференциальные станции 6 передают также информацию об измеренных псевдодальностях до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов по линии связи 13 в центр управления системой 2, где, с использованием методов вычисления первой и второй разности псевдодальностей, определяются текущие эфемериды навигационных КА и вычисляются поправки к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, которые по линии связи 13 поступают на станцию закладки информации на КА 3, а с нее по линии связи 9 закладываются в процессоры навигационных КА низкоорбитального эшелона 14 через навигационные КА среднеорбитального эшелона 1 или КА-ретрансляторы на геостационарной орбите 16 и линию связи 17.

Навигационные КА низкоорбитального эшелона 14 развертываются в угрожаемый период. Они принимают сигналы от навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделяют из них навигационные сообщения, измеряют псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и, с учетом поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА, поступающих из центра управления системой 2, определяют координаты своего местоположения на орбите, составляющие вектора скорости своего движения, а также поправки по времени и по частоте к бортовому хранителю времени и опорному генератору. Процессор вычислителя каждого навигационного КА низкоорбитального эшелона на основе текущих эфемерид КА вычисляет прогнозируемые эфемериды КА на весь последующий виток. Зная свое местоположение на орбите в течение всего периода обращения по орбите с высокой точностью, каждый навигационный КА низкоорбитального эшелона выполняет роль орбитальной дифференциальной станции, для чего он принимает сигналы навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделяют из них навигационные сообщения, измеряют псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и, на основании знания своего точного положения на орбите, определяет погрешности в измеренных псевдодальностях до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, которые по линии радиосвязи 18 передаются потребителям навигационной информации 7.

Аппаратура потребителей навигационной информации 7 по линии связи 8 принимает сигналы навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, выделяют из них навигационные сообщения, измеряют псевдодальности до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов и, с учетом поправок к измеренным псевдодальностям до навигационных КА среднеорбитального 1 и высокоорбитального 15 эшелонов, поступающих от дифференциальных станций 6 по линии связи или от навигационных КА низкоорбитального эшелона 14 по линии радиосвязи 18, определяет координаты местоположения потребителя навигационной информации, составляющие вектора скорости его движения, а также поправки по времени и по частоте к местному хранителю времени и опорному генератору.

Центр управления КА 5 осуществляет закладку в процессоры навигационных КА системы по линии связи 10 сообщений, поступающих из центра управления системой 2, в случае неисправности станции закладки информации на КА 3, а также закладывает на борт навигационных КА системы рабочие программы и принимает от них по линии радиосвязи 11 телеметрическую и телесигнализационную информацию, квитанции о прохождении рабочих программ на борт КА.

Использование в данной спутниковой радионавигационной системе высокоорбитального эшелона навигационных КА и выбор определенных вариантов орбитального построения навигационных КА среднеорбитального и высокоорбитального эшелонов позволяют повысить живучесть орбитальной группировки навигационных КА системы. Высокоорбитальный эшелон навигационных КА представляет собой многоплоскостную систему с одним навигационным КА в каждой из 13-ти наклонных орбитальных плоскостей. Все орбиты круговые с высотой порядка 200000 км. Плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 27,51 град. друг относительно друга и наклонены к плоскости экватора на 57,64 град. Фазовый сдвиг по аргументу широты навигационных КА, лежащих в соседних орбитальных плоскостях увеличивается на 137,6 град. от одной плоскости к другой, лежащей восточнее. При этом обеспечивается наблюдение в любой точке земной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства одновременно не менее 5-ти навигационных КА высокоорбитального эшелона, что позволяет производить навигационные измерения потребителями навигационной информации при выводе из строя любого из 13 космических аппаратов, так как в зоне радиовидимости потребителей будут находиться не менее 4-х навигационных КА высокоорбитального эшелона. Выбор высоты орбиты порядка 200000 км не позволит системе контроля космического пространства вероятного противника обнаруживать и сопровождать навигационные КА высокоорбитального эшелона, а противокосмическим системам противника выводить их из строя. Среднеорбитальный эшелон навигационных КА 1 представляет собой многоплоскостную систему с одним навигационным КА в каждой из 18 наклонных плоскостей. Все орбиты круговые с высотой порядка 20000 км. Плоскости орбит разнесены по долготе восходящего узла на 20 град. друг относительно друга и наклонены к плоскости экватора на 55 град. Фазовый сдвиг по аргументу широты навигационных КА, лежащих в соседних орбитальных плоскостях, увеличивается на 280 град. от одной плоскости к другой, лежащей восточное. При этом обеспечивается наблюдение в любой точке земной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства одновременно не менее 5-ти навигационных КА среднеорбитального эшелона, что позволяет производить навигационные измерения потребителями навигационной информации при выводе из строя любого из 18 космических аппаратов. В указанных вариантах орбитального построения навигационных КА среднеорбитального и высокоорбитального эшелонов выбор наклонения орбитальных плоскостей и величины фазового сдвига по аргументу широты между КА, лежащими в соседних плоскостях, производился из условий обеспечения максимального удаления друг от друга сближающихся КА в течение всего периода обращения их по орбитам, т.е. условия максимизации минимального расстояния между сближающимися КА. В результате чего навигационные КА высокоорбитального эшелона не подходят друг к другу ближе чем на 170000 км, а среднеорбитального эшелона - ближе чем на 9000 км, что делает практически невозможным поражение более одного КА одним противоспутниковым средством вероятного противника, в том числе ядерным оружием третьего поколения.

Возможности спутниковой радионавигационной системы при реализации дифференциального метода определения координат расширяются в связи с использованием дополнительно к наземному эшелону дифференциальных станций навигационных КА низкоорбитального эшелона, выполняющих роль дифференциальных станций и обеспечивающих глобальную зону обслуживания потребителей навигационной информации, что позволяет потребителям навигационной информации производить навигационные определения повышенной точности, с использованием дифференциального метода, в любой точке земной поверхности, воздушного и околоземного космического пространства.

Таким образом, с помощью предлагаемой спутниковой радионавигационной системы реализуется повышение живучести орбитальной группировки навигационных КА и точности определения местоположения потребителей навигационной информации в глобальном масштабе.

Источники информации
1. Волынкин А.И., Волосов П.С., Мищенко И.Н. Спутниковые радионавигационные системы. Зарубежная радиоэлектроника, 1977, 3, с. 90-105.

2. Мищенко И.Н., Волынкин А.И., Волосов П.С., Григорьев М.И. Глобальная навигационная система NAVSTAR, Зарубежная радиоэлектроника, 1980, 8, с. 52-79.

3. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. Под ред. Шебшаевича. М., 1988, 200 с - прототип.

4. Ellis J.F., Creswell G.A. Interferometric attitude determination with the Global Positioning System, USA, AIAA, 1978, 78 - 1250, р. 96-102.

5. Boucher С. Le systeme NAVSTAR/GPS et ses applications geodesiques, France, Navigation, 1984, 129, p. 17-30.

Изобретение относится к области ракетно-космической техники и может быть использовано для навигационного обеспечения объектов - потребителей навигационной информации, находящихся на земной поверхности, в воздушном и околоземном космическом пространстве. Техническим результатом является повышение живучести орбитальной группировки навигационных космических аппаратов (КА) и точности определения местоположения потребителей навигационной информации в глобальном масштабе. Технический результат достигается тем, что в спутниковой радионавигационной системе используют высокоорбитальный, среднеорбитальный и низкоорбитальный эшелоны навигационных КА, а также определенные варианты их построения по высоте и наклонным орбитам, что позволяет повысить точность определения навигационных координат потребителей навигационной информации с использованием дифференциального метода определения координат. 1 з.п ф-лы, 2 ил.

1. Спутниковая радионавигационная система, содержащая навигационные космические аппараты (КА) среднеорбитального эшелона, центр управления системой, станцию закладки информации на космические аппараты, контрольные станции, центр управления КА, дифференциальные станции и аппаратуру потребителей навигационной информации, причем первые выходы контрольных станций и центра управления КА соединены с первым и вторым входами центра управления системой соответственно, выход которого соединен с входом станции закладки информации на КА, выход которой соединен радиолиниями с первыми входами бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К), первые выходы которых соединены радиолиниями с входами контрольных станций, дифференциальных станций и первым входом аппаратуры потребителей навигационной информации, вторые выходы бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К) соединены радиолиниями с входом центра управления КА, второй выход которого соединен радиолиниями с вторыми входами бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К), а выход дифференциальных станций соединен с вторым входом аппаратуры потребителей навигационной информации, отличающаяся тем, что дополнительно имеет в своем составе навигационные КА низкоорбитального и высокоорбитального эшелонов, КА-ретрансляторы на геостационарной орбите, причем первые выходы контрольных станций, центра управления КА и дифференциальных станций соединены соответственно с первым, вторым и третьим выходами центра управления системой, выход которой соединен с входом станции закладки информации на КА, выход которой соединен радиолиниями с первыми входами бортовой аппаратуры i-ых навигационных КА высокоорбитального эшелона (i= 1, I), k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К) и n-ых КА-ретрансляторов на геостационарной орбите (n= 1, N), выходы бортовой аппаратуры n-ых КА-ретрансляторов на геостационарной орбите (n= 1, N) соединены радиолиниями с первыми входами бортовой аппаратуры j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j= 1, J), второй выход центра управления КА соединен радиолиниями со вторыми входами бортовой аппаратуры i-ых навигационных КА высокоорбитального эшелона (i= 1, I), k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К) и j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j= 1, J), первые выходы которых соединены радиолиниями с входом центра управления КА, вторые выходы бортовой аппаратуры i-ых навигационных КА высокоорбитального эшелона (i= 1, I) и k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К) соединены радиолиниями соответственно с первыми и вторыми входами дифференциальных станций и аппаратуры потребителей навигационной информации, третьими и четвертыми входами бортовой аппаратуры и j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j= 1, J), вторые выходы бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К) соединены радиолиниями также с входом контрольных станций, третьи выходы бортовой аппаратуры k-ых навигационных КА среднеорбитального эшелона (k= 1, К) соединены радиолиниями с пятыми входами бортовой аппаратуры j-ых навигационных КА низкоорбитального эшелона (j= 1, J), вторые выходы которой соединены с четвертым входом аппаратуры потребителей навигационной информации, а второй выход дифференциальных станций соединен с третьим входом аппаратуры потребителей навигационной информации. 2. Спутниковая радионавигационная система по п. 1, отличающаяся тем, что высокоорбитальный и среднеорбитальный эшелоны навигационных КА выполнены в виде совокупности навигационных КА, расположенных в нескольких орбитальных плоскостях по одному КА в каждой, причем наклонения орбитальных плоскостей и фазовый угол между КА, лежащими в соседних плоскостях, выбраны из условия максимизации минимального расстояния между сближающимися КА за весь период их обращения по орбитам, а высокоорбитальный эшелон навигационных КА размещен на круговых наклонных орбитах высотой более 100000 км.