🗊Презентация Использование эффекта Доплера в радиолокации

Использование эффекта Доплера в радиолокации Эффект Доплера (в радиолокации) – частота принимаемого РЛС отраженного сигнала зависит от радиальной скорости объекта.

Как используется эффект Доплера? Как используется эффект Доплера? Для измерения радиальной скорости цели (скорость можно измерить и косвенно: определив две дальности до цели в два момента времени или используя когерентно-импульсную РЛС с фазовым детектором на ПЧ - далее); Для выделения и подавления помех, отраженных неподвижными целями («селекция движущихся целей» – СДЦ); Для создания комплексных навигационных систем – доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС).

Когерентно-импульсная РЛС с фазовым детектором на ПЧ

«Слепые» скорости «Слепые» скорости Эффект наблюдается в когерентно-импульсной РЛС (отсутствует в случае непрерывных колебаний). На рисунке показаны зондирующие импульсы uз, сформированные из напряжения когерентного гетеродина, и отраженные импульсы uс для случая, когда цель прошла расстояние λ/2 за время равное периоду повторения Tп. Как видно фазовый сдвиг между напряжением когерентного гетеродина и обоими импульсами не изменяется. На выходе фазового детектора получим одинаковые видеоимпульсы, пульсация отсутствует, следовательно цель неподвижна. Слепые скорости:

Доплеровский измеритель скорости и угла сноса (ДИСС) (это РНС!) Рассмотрим горизонтальный полет: W – путевая скорость; V – воздушная скорость; U – скорость ветра; φ – угол сноса

Ширина спектра сигнала по уровню половинной мощности: Ширина спектра сигнала по уровню половинной мощности:

ДИСС-7 ДИСС-7 является доплеровским измерителем путевой скорости и угла сноса с непрерывным излучением сигнала, с несимметричной четырехлучевой антенной системой, устанавливаемый на самолетах третьего поколения. ДИСС-7 предназначен для непрерывного автоматического вычисления составляющих вектора полной путевой скорости, в самолетной системе координат XYZ.  Тактико-технические данные - вид излучения: непрерывный; - частота излучения Fo = 13325 МГц; - мощность передатчика не менее 2 Вт; - диапазон измеряемых доплеровских частот 1,5 ÷ 32 кГц; - частота коммутации лучей антенны 2,5 ± 0,25 Гц; - время непрерывной работы 12 часов; - чувствительность приемника не хуже  минус 113 дБ/мВт; - ошибка измерения средней путевой скорости не более 0,9%; - масса 29 кг; - габаритные размеры 666 х 406 х 231 мм.

ДИСС-7

Радиовысотомер Использует частотный метод определения дальности. Использует непрерывное излучение. (Почему?) Возможно одновременное измерение скорости доплеровским методом.

Малогабаритный авиационный радиовысотомер А-037

Радионавигационные системы Радионавигационный параметр (РНП) – параметр сигнала, несущий информацию о параметре (координате или скорости) объекта. В угломерной РНС (в пеленгаторе) РНП – это угол между направлением на объект и опорным направлением (пеленг). В РНС измерения скорости РНП – это доплеровское смещение частоты принимаемых колебаний относительно частоты опорных колебаний. В дальномерных и разностно-дальномерных системах РНП – это временной, частотный или фазовый сдвиг колебаний принимаемого сигнала относительно опорного, формируемого в системе. Соответственно применяемому РНП различают импульсные, частотные и фазовые системы.

Линия (поверхность) положения Линия (поверхность) положения – геометрическое место точек, отвечающих результатам измерения РНП. Ошибку определения линии (поверхности ) положения оценивают отрезком нормали l между линиями (поверхностями ) положения, соответствующими истинному и измеренному значениям РНП. Уравнение РНП р в декартовой системе координат можно записать в виде р = р (х, у) на плоскости и р = р (х, у, z) в пространстве. Эти уравнения соответствуют двумерному и трехмерному скалярным полям параметра р. Рассмотрим плоскую задачу. В пределах рабочих зон РНС функция р (х, у) непрерывна и дифференцируема, поэтому изменение скалярного поля РНП можно описать его градиентом grad р, т. е. вектором, показывающим направление наискорейшего роста параметра р.

Если l – единичный вектор, направленный вдоль нормали к линии положения в сторону роста р, то скалярное произведение l grad p = ∂p/∂l. Если l – единичный вектор, направленный вдоль нормали к линии положения в сторону роста р, то скалярное произведение l grad p = ∂p/∂l. Модуль градиента g =|grad p| = | ∂p/∂l | позволяет связать ошибку измерения РНП Δр с погрешностью фиксации линий положения Δl : Δl = Δр /g. Следовательно, точность определения линий положения увеличивается с ростом точности измерения значения РНП и с ростом модуля градиента поля РНП. Если функция р (х, у) задана аналитически, то: х Воспользовавшись приведенными соотношениями, можно оценить ошибку определения линий положения для дальномерного, угломерного и разностно-дальномерного методов местоопределения.

Дальномерная РНС В дальномерной РНС измеряется время задержки сигнала τD. Это время связано с РНП D формулой: D = cτD для беззапросного дальномера; D = cτD /2 для дальномера с запросом, активной РЛС с активным или пассивным ответом и радиовысотомера. Линии положения – окружности радиуса D при расположении ответчика в точке О, а объекта с запросчиком – в точке М. D = √ x2+y2, p = τD = 2D/c = (2/c) √ x2+y2 , |grad p| = 2/c и Δl = Δpc/2 σl = σD = c στ / 2

Угломерная РНС В угломерной РНС измеряемым РНП является угол α. Пусть этот угол измерен со случайной ошибкой Δα, имеющей нормальное распределение (0, σα), причем Δα << 1. Тогда ошибка определения местоположения характеризуется величиной σl = Dσα

Разностно-дальномерная РНС В разностно-дальномерных РНС измеряемым параметром является разность расстояний DA – DB объекта (точка M) от двух передающих станций А и В (ведущей и ведомой) при расстоянии между ними (базе) d. Здесь линия положения – гипербола, а ψ — угол, под которым из точки объекта М видна база.

Справка Гипербола – геометрическое место точек P для которых абсолютное значение разности расстояний от P до двух выделенных точек B1 и B2 (называемых фокусами) постоянно.

Определение координат объекта позиционным методом Местоположение объекта при позиционным методое – точка пересечения по крайней мере двух линий положения. Ошибка определения линий положения приводит к ошибке нахождения координат объекта. Если объект М находится на значительном расстоянии от наземных станций, то погрешности Δl1 и Δl2 определения линий положения АВ и CD считают малыми по сравнению с расстояниями от объекта до станций, а линии положения АВ' и CD', полученные в результате измерения,– параллельными линиям АВ и CD.

Рабочие зоны РНС Рабочая зона (область) РНС – часть пространства (поверхности), в пределах которой обеспечивается нахождение координат объекта с ошибкой, не превышающей максимально допустимую σm. При этом принимаемый сигнал должен превышать пороговое значение Рс мин, соответствующее максимальной дальности действия системы. Таким образом, границы рабочей зоны определяются равенствами D = Dмакс и σr = σr m, где σr – среднеквадратическое значение радиальной погрешности. Обычно границы рабочей зоны РНС рассчитывают из условия заданной точности местоопределения σr ≤ σr m.

Рабочие зоны дальномерной РНС Запросчик расположен на борту объекта в точке М и работает с двумя наземными ответчиками в точках А и В на расстоянии d между ними.

Рабочие зоны разностно-дальномерной РНС Для определения местоположения объекта М в разностно-дальномерной системе используют по крайней мере две пары станций АВ и АС с пересекающимися под углом αМ линиями положения (гиперболами). Если ошибки измерения времени задержки по первой и второй парам равны соответственно στ1 и στ2 , а базовые углы первой и второй пар − ψ1 и ψ2, то:

Примеры простейших угломерных РНС Автоматический радиокомпас Начало работ по созданию автоматических радиокомпасов в СССР относится к 1940 г. Автоматический радиокомпас АРК-5 с внутрифюзеляжной рамкой был разработан в 1944-1946 гг. и получил широкое применение. К 1947 г. он был освоен в производстве и внедрен в эксплуатацию.

Автоматический радиокомпас

Фазовый радиопеленгатор Простейшим и методически важным способом реализации фазового метода радиопеленгации является использование двух вертикальных ненаправленных антенн А и В, разнесенных на расстояние d (база пеленгатора)

Фазовые РНС Принцип действия фазовых радионавигационных систем (ФРНС), так же как и импульсных РНС, основан на измерении дальностей или разностей дальностей до нес- нескольких радиомаяков (РМ). Наиболее широкое распространение получили ФРНС без ответчика. Опорные РМ излучают колебания, когерентность которых поддерживается специальной системой синхронизации. На борту потребителя производится прием и идентификация сигналов нескольких РМ. Аналогом времени задержки сигнала является фаза сигнала. Для определения координат потребителя в ФРНС могут быть использованы дальномерные, квазидальномерные и разностно-дальномерные измерения.

При дальномерных измерениях бортовая шкала времени совмещена со шкалой времени опорных РМ. На объекте может быть сформирован когерентный опорный сигнал. Результат измерения разности фаз между опорным и принятым от РМ сигналами пересчитывается в дальность до РМ. При дальномерных измерениях бортовая шкала времени совмещена со шкалой времени опорных РМ. На объекте может быть сформирован когерентный опорный сигнал. Результат измерения разности фаз между опорным и принятым от РМ сигналами пересчитывается в дальность до РМ. При квазидальномерных измерениях имеется постоянное, но априори неизвестное расхождение шкал времени, которое измеряется в процессе навигационных определений. Как измеряется? При разностно-дальномерных измерениях расхождение шкал времени также неизменно в течение радионавигационного сеанса и компенсируется в РНП, определяемом как разность фазовых запаздываний сигналов.

Принципиальное отличие ФРНС от импульсных РНС заключается в том, что определение дальности или разности дальностей производится на основе измерений фазы принятых сигналов РМ. Принципиальное отличие ФРНС от импульсных РНС заключается в том, что определение дальности или разности дальностей производится на основе измерений фазы принятых сигналов РМ. Показания бортового фазометра Δφф однозначно связаны с оценкой РНП лишь в том случае, когда сдвиг фаз между подаваемыми на него колебаниями Δφ < 2π. При невыполнении этого условия разность фаз Δφ включает неизвестное число n полных фазовых циклов, т. е. представляет собой сумму: Δφ = 2π n + Δφф Дальность до РМ равна D = λ n + λ (Δφф/2π ) Измерение РНП фазовым методом неоднозначно.

Одному и тому же значению Δφф отвечает семейство линий положения. Выносится решение о том, что потребитель находится на одной из таких линий положения, но на какой именно - неизвестно. Одному и тому же значению Δφф отвечает семейство линий положения. Выносится решение о том, что потребитель находится на одной из таких линий положения, но на какой именно - неизвестно. Неопределенность выбора истинной линии положения возрастает с повышением частоты сигнального колебания f0, в то время как среднеквадратическая ошибка измерения РНП, обусловленная шумовой помехой уменьшается. Для одновременного удовлетворения требований к точности и однозначности измерений в ФРНС применяют методы устранения многозначности фазового отсчета.

Методы устранения многозначности фазового отсчета В простейших ФРНС многозначность фазовых измерений устраняется путем непрерывного подсчета целого числа полных фазовых циклов в показаниях фазометра при перемещении потребителя от точки с известными координатами. Однако этот метод ненадежен, так как даже кратковременный сбой в синхронизаторе бортового измерителя приводит к потере фазовых соотношений. Наибольшее распространение получил многошкальный метод устранения многозначности. Для его реализации нужно, чтобы сигналы излучались на нескольких частотах, находящихся между собой в определенном целочисленном соотношении. Используют также метод устранения многозначности, основанный на привлечении информации о функции, модулирующей несущие колебания по амплитуде. Это может быть гармоническая модулирующая функция или функция в виде видеоимпульса определенной формы. Необходимым условием при этом является поддержание строгого синхронизма между модулирующей функцией и фазой несущего колебания.

Многочастотные фазовые РНС Классическим примером многочастотных ФРНС являются СДВ-системы, работающие в диапазоне частот (10…15 кГц), что соответствует длине волны 30…20 км. Можно оценить потенциальную точность … . Если частоту увеличить, то точность станет выше, но возрастает затухание радиоволн при распространении вдоль поверхности Земли. «Омега» — первая глобальная радионавигационная система для воздушных судов, поддерживалась США и ещё 6 другими странами. «Омега» была разработана ВМС США для нужд военной авиации. Разработка началась в 1968 и планировалось глобальное покрытие океанов с помощью 8 передатчиков, с точностью определения местоположения равной 4 милям. Изначально система использовалась атомными бомбардировщиками в приполярных районах. Позже было обнаружено, что она может использоваться и подводными лодками. Выведена из эксплуатации в 1998 г. Для определения РНП используют основную частоту. Реализован многошкальный метод устранения многозначности. Опорные РМ излучают последовательно во времени основную частоту и дополнительные частоты. В рассматриваемых многочастотных ФРНС осуществляют частотно-временное разделение сигналов.

Диаграмма излучения сигналов ФРНС «Омега» Наземные опорные РМ синхронизованно излучают импульсные радиосигналы большой длительности (0,9…1,2 с) на частотах 10,2; 13,6; 11,33 кГц. Период излучаемых сигналов 10 с.

Устранение многозначности В многочастотных ФРНС отдают предпочтение разностно-дальномерным измерениям, что экономически выгодно, так как не требует размещения на борту потребителя дорогостоящего эталона частоты. Устранение многозначности заключается в установлении целого числа циклов в фазовом сдвиге Δφ, который и определяет оценку РНП.

Устранение многозначности Колебания дополнительных частот f1 = 11,33 кГц и f2 = 13,6 кГц позволяют получить биения с колебанием основной частоты f0 = 10,2 кГц. Длина волны примерно 30 км Частоты биений F1 0= f1– f0 = 1,13 кГц и F2 0 = f2– f0 = 3,4 кГц. «Длины волн» соответственно 265 км и 88 км. Колебания частот F1 0 и F2 0 используются для устранения многозначности результатов измерения на частоте f0. Устранение многозначности может быть осуществлено раздельно по линиям положения с помощью многоступенчатого алгоритма [ХХ]. При этом измерения производятся на частотах F1 0 (сверхгрубая шкала – 132 км), F2 0 (грубая шкала – 44 км) и f0 (точная шкала – 14,7 км). Коэффициент сопряжения шкал k = F2 0 / F1 0 = f0 / F1 0 = 3. Последовательное уточнение результатов отсчета РНП от шкалы к шкале позволяет получить однозначный отсчет по точной шкале.

Применение многоступенчатого алгоритма дает правильное однозначное решение при условиях: Применение многоступенчатого алгоритма дает правильное однозначное решение при условиях: ошибка сверхгрубой шкалы не выходит за пределы грубой шкалы, ошибка грубой шкалы – за пределы точной шкалы. При действии помех это условие может быть нарушено, что приводит к принятию ошибочного решения. Наибольший вклад в ошибку местоопределения вносит изменчивость фазовой скорости распространения радиоволн на трассе РМ − потребитель. Дополнительный фазовый сдвиг может быть представлен как сумма регулярной и случайной составляющих. Регулярная составляющая фазового сдвига зависит от времени года и суток, типа подстилающей поверхности. Она рассчитывается для различных районов Земного шара и учитывается при измерениях. Случайная составляющая полностью входит в результирующую ошибку местоопределения. Поэтому осуществляются специальные меры (дифференциальный режим, комплексирование).

ФРНС «Альфа» (также известная как РСДН-20) – советская система дальней радионавигации, предназначенная для определения координат самолётов, кораблей и подводных лодок (в подводном положении). Дальность действия – 10 тыс. км от ведущей станции. Точность местоопределения 2,5…7 км. Введена в эксплуатацию в 1972 году. ФРНС «Альфа» (также известная как РСДН-20) – советская система дальней радионавигации, предназначенная для определения координат самолётов, кораблей и подводных лодок (в подводном положении). Дальность действия – 10 тыс. км от ведущей станции. Точность местоопределения 2,5…7 км. Введена в эксплуатацию в 1972 году. Система разрабатывалась параллельно и работает по тем же принципам, что и «Omega». Система «Альфа» состоит из 3 передатчиков, которые расположены в районе Новосибирска, Краснодара, Комсомольска-на-Амуре. Эти передатчики излучают последовательности сигналов длительностью 3,6 с на частотах 11,905 кГц, 12,649 кГц и 14,881 кГц. Точность местоопределения  – не хуже 2 миль, однако в высоких широтах и в полярных районах, где могут возникать внезапные фазовые аномалии, точность снижается до 7 миль. Мачты антенн, используемые для системы навигации «Альфа» должно быть очень высоки.

Импульсно-фазовые РНС Импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС) длинноволнового диапазона (порядка 100 кГц) обеспечивают дальность действия 1800 … 2000 км. Опорные РМ ИФРНС объединены в группы (цепочки) из 3 - 6 наземных станций. В каждой цепочке одна из станций является ведущей, остальные – ведомыми. Для определения координат потребителей используются, как правило, разностно-дальномерные измерения. Измерение РНП производится импульсно-фазовым методом: грубое измерение разности дальностей основано на оценке интервала времени между огибающими импульсов ведущей и ведомых станций, точное — на оценке разности фаз несущих колебаний тех же импульсов. В ИФРНС сочетаются положительные качества фазовых и импульсных систем – высокая точность и однозначность измерений.

Импульсно-фазовые РНС Ведущая станция излучает 8-ми импульсные пачки фазоманипулированных радиоимпульсов. Временной интервал между импульсами пачки равен 1000 мкс. Частота повторения пачек (10 …25 Гц) одинакова для всех станций одной цепочки и отличается от частоты повторения пачек других цепочек, что позволяет в месте приема идентифицировать сигналы различных цепочек. Ведомые станции синхронизируются сигналами ведущей станции и излучают радиоимпульсы такой же формы, но с некоторой фиксированной задержкой во времени.

Введение задержки обеспечивает временное разделение сигналов ведущей и ведомых станций. Введение задержки обеспечивает временное разделение сигналов ведущей и ведомых станций. Законы фазовой манипуляции радиоимпульсов ведомых станций и ведущей станции различны, что позволяет идентифицировать сигналы в месте приема. Фазы радиоимпульсов, отмеченных знаками «+» и «–», отличаются друг от друга на 180°. Полный период Тк фазового кода соответствует двум пачкам радиоимпульсов и равен удвоенному периоду повторения Тп 8-ми импульсных пачек.

Радиоимпульсы имеют медленно нарастающий фронт длительностью около 80 мкс. Радиоимпульсы имеют медленно нарастающий фронт длительностью около 80 мкс. В место приема наряду с поверхностной приходит еще и пространственная волна, время запаздывания которой зависит от состояния ионосферы и электропроводности подстилающей поверхности на трассе распространения. Поэтому на вход приемника поступает не только поверхностный, но и пространственный сигнал, запаздывающий относительно первого на 35…50 мкс. В режиме точных измерений пространственный сигнал не может использоваться из-за нестабильности его параметров, поэтому измерение РНП производится по свободному от влияния пространственного сигнала участку фронта сигнала поверхностной волны.

«Чайка» — ИФ РНС длинноволнового диапазона, предназначенная для определения координат самолётов и кораблей с ошибкой 50...100 м. Система была разработана в 1958 г. по заказу ВВС СССР и является российским аналогом американской системы Loran-C. «Чайка» — ИФ РНС длинноволнового диапазона, предназначенная для определения координат самолётов и кораблей с ошибкой 50...100 м. Система была разработана в 1958 г. по заказу ВВС СССР и является российским аналогом американской системы Loran-C. Существует 5 цепочек «Чайки»: GRI 8000 — Европейская цепь (1969) GRI 7950 — Восточная цепь (1986) GRI 5980 — Российско-Американская цепь в Беринговом море (1995-2010) GRI 5960 — Северная цепь (1996) GRI 4970 — Северозападная цепь

Спутниковые РНС РМ располагается на ИСЗ ИСЗ – подвижный РМ (недостаток!). Положение РМ при решении радионавигационной задачи должно быть известно, следовательно необходимо обеспечить наличие информации о текущем положении ИСЗ ИСЗ – подвижный РМ (достоинство!). Последовательные положения ИСЗ на орбите можно представить как несколько отдельных РМ. Следовательно, определение местоположения возможно с помощью единственного ИСЗ.

Выбор орбиты для ИСЗ при построении СРНС Параметры орбит и виды орбит

Выбор орбиты для ИСЗ при построении СРНС Выбор точки запуска При выборе орбиты для СРНС основными параметрами являются высота и наклонение: Высота орбиты определяет радиус зоны видимости (h ↑), время сеанса обсервации (h ↑), ошибку разностно-дальномерного способа определения местоположения (h ↓) Наклонение орбиты определяет границы зоны действия СРНС по широте места

СРНС первого поколения В 1957 г. под руководством академика В.А.Котельникова экспериментально подтверждена возможность определения параметров движения ИСЗ по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, в точке приема с известными координатами. Тогда может быть решена и обратная задача – определение координат точки приема по измеренному доплеровскому сдвигу частоты сигнала, излучаемого с ИСЗ, параметры движения которого известны.

СРНС первого поколения Следовательно ИСЗ можно использовать в качестве РМ, координаты которого хотя и изменяются, но заранее известны для любого момента времени. Эта идея была реализована в СРНС первого поколения на базе низкоорбитальных ИСЗ. Для навигационных определений достаточно было только одного ИСЗ, оказывающегося в зоне радиовидимости наблюдателя.

ИСЗ излучает гармонические колебания частотой f0. ИСЗ излучает гармонические колебания частотой f0. Наблюдатель имеет возможность сравнивать частоту принимаемого от ИСЗ колебания fпр(t) с частотой бортового эталона. Бортовой эталон имеет частоту колебаний f0.

Измеряя разность частот fпр(t) – f0 = FД(t) можно построить график функции FД(t). Измеряя разность частот fпр(t) – f0 = FД(t) можно построить график функции FД(t). В момент изменения знака доплеровской частоты t = t0 , наблюдатель может утверждать, что находится в плоскости, нормальной к вектору скорости ИСЗ (на траверзе ИСЗ). Зная координаты ИСЗ в момент времени t0 и направление его движения, можно построить поверхность положения в виде плоскости, а также линию положения на поверхности Земли (линия СП).

Для определения местонахождения наблюдателя, можно использовать зависимость крутизны кривой FД(t) в момент t0 (кривые 1, 2 и 3) от расстояния между ИСЗ и точкой приема П. Для определения местонахождения наблюдателя, можно использовать зависимость крутизны кривой FД(t) в момент t0 (кривые 1, 2 и 3) от расстояния между ИСЗ и точкой приема П. Крутизна изменения FД(t) в окрестности точки t0 однозначно связана с наклонной дальностью D(t0). Определив D(t0), строят поверхность положения в виде сферы с центром в точке нахождения ИСЗ в момент t0. Местоположение потребителя соответствует точке пересечения этой сферы с линией положения СП. Рассмотренный метод определения координат называют дифференциальным доплеровским (траверзным).

Интегральный доплеровский метод спутниковой радионавигации Точность дифференциального метода определяется точностью измерения мгновенного значения доплеровской частоты, которая может быть ограничена по «геометрическим причинам» и по «энергетическим причинам». Энергетические параметры РНС определяют качество радионавигационных измерений. А в СРНС существуют проблемы с энергетикой радиолинии ИСЗ-потребитель. Помехоустойчивость радионавигационного канала тем выше, чем большая часть энергии излученного сигнала используется для измерения РНП. В связи с этим получил распространение метод радионавигационных измерений, основанный на интегрировании доплеровской частоты.

Пусть в точке приема вычисляют интеграл Пусть в точке приема вычисляют интеграл

Выводы по СРНС первого поколения Основным условием реализации алгоритмов СРНС первого поколения является точная привязка результатов измерения РНП к единой шкале времени. Для этого потребитель должен иметь высокостабильный эталон частоты, обеспечивающий формирование бортовой шкалы времени. Коррекцию бортовой шкалы времени осуществляют с помощью специальных меток времени в принимаемом радиосигнале. Кроме того, для вычисления текущих пространственных координат ИСЗ на борту потребителя необходимо иметь эфемеридную информацию. Эфемеридную информацию в форме параметров орбиты ИСЗ либо его геоцентрических координат передают с борта ИСЗ с помощью модуляции (фазовой или частотной) непрерывной несущей, используемой для интегральных доплеровских измерений.

Сведения о СРНС первого поколения Первая отечественная низкоорбитальная РНС «Цикада» - начало работ в 1963 году. В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192». В 1964 году в США создается доплеровская СРНС система первого поколения «Transit». Основное назначение - навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Отцом системы считается директор Лаборатории прикладной физики Р. Кершнер. Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 г. В состав СРНС «Транзит» (США) входят 5 или 6 ИСЗ, наземный комплекс контроля и парк бортовой аппаратуры потребителей. В зоне радиовидимости расположен только один ИСЗ.

Сведения о СРНС первого поколения ИСЗ расположены на круговых полярных орбитах высотой около 1100 км и имеют период обращения около 107 мин. При таких параметрах орбит радиус зоны радиовидимости, достигает 2000 км, а время сеанса от 10 до 16 мин. Учитывая, что период передачи навигационной информации (эфемеридная информация, метки времени, служебная информация) равен 2 мин, за один пролет ИСЗ можно получить 5 … 8 поверхностей положения, тогда как достаточное для местоопределения число равно 3. Избыточные поверхности положения могут быть использованы для статистического сглаживания получаемых оценок координат.

В СРНС «Транзит» применяют два высокочастотных сигнала: основной (400 МГц) и вспомогательный (150 МГц), что дает возможность произвести компенсацию ошибки, обусловленной ионосферной рефракцией при доплеровских измерениях. В СРНС «Транзит» применяют два высокочастотных сигнала: основной (400 МГц) и вспомогательный (150 МГц), что дает возможность произвести компенсацию ошибки, обусловленной ионосферной рефракцией при доплеровских измерениях. Низкоорбитальные СРНС обладают по крайней мере двумя серьезными недостатками: малой точностью определения координат высокодинамичных объектов и большим интервалом времени между обсервациями. Например, при ошибке измерения скорости объекта 0,5 м/с ошибка местоопределения составляет 500 м, в то время как ошибка местоопределения неподвижного объекта приблизительно равна 50 м. Средний интервал времени между обсервациями зависит от географической широты потребителя и колеблется от 35 мин в приполярных районах до 90 мин вблизи экватора. Уменьшение этого интервала путем увеличения числа спутников в данных системах невозможно, так как все ИСЗ излучают сигналы на одних и тех же частотах.

СРНС второго поколения «Навстар» и ГЛОНАСС Характерными особенностями СРНС 2-го поколения являются применение среднеорбитальных ИСЗ и использование для навигационных определений сигналов одновременно нескольких ИСЗ В состав СРНС входят подсистема ИСЗ, подсистема контроля и управления (наземный командно-измерительный комплекс) и подсистема аппаратуры потребителей.

Сегменты высокоорбитальных навигационных систем Глонасс и GPS

СРНС имеет собственное системное время, хранимое на борту ИСЗ эталонами частоты. Временные шкалы всех ИСЗ согласованы между собой и синхронизируются системой единого времени. СРНС имеет собственное системное время, хранимое на борту ИСЗ эталонами частоты. Временные шкалы всех ИСЗ согласованы между собой и синхронизируются системой единого времени. Подсистема контроля и управления (наземный командно-измерительный комплекс) осуществляет слежение за ИСЗ и обеспечивает спутники информацией, необходимой для формирования радионавигационных сигналов и навигационных сообщений. Навигационная аппаратура потребителей (подсистема аппаратуры потребителей) производит выбор рабочего созвездия ИСЗ, поиск и слежение за сигналами, обработку измеряемых РНП и эфемеридной информации для определения координат и составляющих скорости потребителей. В СРНС «Навстар» ИСЗ излучают двоичный ФМан-сигнал, код которого является индивидуальным для каждого ИСЗ. Это позволяет всем ИСЗ работать на общей несущей частоте, не создавая заметных внутрисистемных помех.

Измеряемыми РНП служат время запаздывания и доплеровское смещение частоты принимаемого радионавигационного сигнала относительно его образца, формируемого на борту потребителя. Измеряемыми РНП служат время запаздывания и доплеровское смещение частоты принимаемого радионавигационного сигнала относительно его образца, формируемого на борту потребителя. ФМан-сигнал, имеющий базу  1000, излучается на несущей частоте f0  1,5 ГГц. Время запаздывания принятого сигнала относительно шкалы времени потребителя включает начальное расхождение шкал времени потребителя и ИСЗ и задержку распространения сигнала на трассе ИСЗ - потребитель. Если фазы опорных генераторов потребителя и ИСЗ совпадают (расхождение шкал времени равно нулю), то измеряемое время запаздывания пропорционально дальности между ИСЗ и потребителем. ЭТОГО НЕТ! В противном случае для оценки координат необходимо использовать разностно-дальномерные измерения подобно тому, как это делается в наземных РНС. Измерение времени запаздывания принимаемого сигнала производится на основе корреляционного метода. Выходной сигнал коррелятора достигает максимального значения, пропорционального числу элементов кода, когда формируемая копия совпадает по времени и частоте с принимаемым сигналом.

Для составления навигационных уравнений удобно использовать систему декартовых координат с началом в центре Земли Для составления навигационных уравнений удобно использовать систему декартовых координат с началом в центре Земли Квадрат расстояния между ИСЗ и П представим в виде

Дифференциальный режим СРНС позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 10-15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая точность. Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приемник. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу. Аппаратура потребителя принимает от опорной станции поправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные причинами.