РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ
2015, том 2, выпуск 1, c. 47–57
КОСМИЧЕСКИЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ И ПРИБОРЫ
УДК 621.398
Анализ результатов космического эксперимента
по передаче расширенного альманаха
вЦИКАГЛОНАСС
Н.Б.Ипкаев
ОАО «Российские космические системы»
e-mail: nikasic@bk.ru
Аннотация. В статье речь идет о результатах космического эксперимента, прошедшего с 15 по 18 февраля 2014 г.
Основной задачей космического эксперимента была практическая отработка возможности передачи расширенного
альманаха ГЛОНАСС для космических аппаратов с системными номерами более 24.
С этой целью в ОАО «Российские космические системы» был разработан макет НАП станции сбора измерений
СДКМ и специальное программное обеспечение контроля навигационных данных (СПО КОНД).
Результаты космического эксперимента показали практическую реализуемость передачи расширенного альманаха
ГЛОАНСС при существующей структуре кадра навигационного сообщения.
Ключевые слова: космический эксперимент, ГЛОНАСС, СДКМ, расширенный альманах, новые технологии
Analysis of Results of Space Experiment
on Transmission of Expanded Almanac
in Digital Information of GLONASS Satellites
N. B. Ipkaev
Joint Stock Company “Russian Space Systems”
e-mail: nikasic@bk.ru
Abstract. In article tells results of the space experiment which took place during the period from February 15 to 18,
2014. Practical working off of possibility of transmission of the expanded almanac GLONASS for spacecrafts with
system numbers more than 24 was a main objective of space experiment.
For this purpose in JSC «Russian Space Systems» the prototype of station of measurements of collection of SDCM
and the special software of monitoring of navigation data (software MND) was developed.
Results of space experiment showed practical implementability of transmission of the expanded almanac of GLOANSS
in case of the existing frame structure of the navigation message.
Key words: space experiment, GLONASS, SDСM, expanded almanac, new technologies
Стр.1
48
Н. Б.ИПКАЕВ
Введение
Для обеспечения конкурентоспособных тактико-технических
характеристик (ТТХ) ГЛОНАСС
архитектура системы и ее составные части в дальнейшей
перспективе должны сбалансированно развиваться
на высоком конкурентоспособном уровне
с учетом перспективных требований потребителей
имировыхтенденций в развитиитехнологийспутниковой
навигации. В связи с этим модернизированная
орбитальная группировка системы с увеличенным
составом навигационных космических аппаратов
(НКА) на средневысотных орбитах будет
способствовать повышению доступности, точности
и устойчивости навигации потребителей системы
ГЛОНАСС.
Увеличить количество НКА в составе опорной
группировки (ОГ) ГЛОНАСС возможно следующими
способами:
– запуск новых НКА на средневысотные орбиты;
– расширения состава группировки за счет существующих
резервных НКА.
Первый способувеличения состава ОГ повлечет
большие денежные затраты, а также изменение
существующего расположения НКА по орбитальным
плоскостям, что повлияет на сокращение ресурса
действующих НКА. Второй способувеличения
состава группировки не требует значительных
денежных затрат и изменения существующего
расположения НКА в орбитальных плоскостях.
По данным сайта «Российская система дифференциальной
коррекции и мониторинга (СДКМ)» на
данный момент в составе ОГ ГЛОНАСС находится
28 НКА (рис. 1).
Из рисунка следует, что уже можно расширить
состав ОГ ГЛОНАСС как минимум на 1 НКА и при
этом это никак не повлияет на срок службы НКА
и на существующий парк ранее разработанных навигационных
приемников.
Длябыстроговхождения всвязь навигационному
приемнику необходимо знать грубые координаты
НКА, которые вычисляются по данным
неоперативной информации (альманах), передаваемой
в суперкадре навигационного сообщения. Существующий
суперкадр позволяет передать альманах
на 24 НКА. Поэтому в ОАО «Российские космические
системы» была разработана новая редакция
интерфейсного контрольного документа (ИКД)
с изменениями в структуре суперкадра навигационного
сообщения, связанными с появлением дополнительных
альманахов НКА с номерами более
24. С целью приема расширенного альманаха
и сравнения принятой информации с заложенными
данными на борт НКА был разработан макет
станции сбора измерений СДКМ и специальное
программное обеспечение контроля навигационных
данных.
С 15 по 18 февраля 2014 г. был проведен космический
эксперимент, целью которого стала практическая
отработка возможности передачи альманаха
ГЛОНАСС для КА с системными номерами
более 24.
Результаты космического эксперимента показали
практическую реализуемость передачи расширенного
альманаха ГЛОАНСС при существующей
структуре кадра навигационного сообщения.
Подготовительный этап
космического эксперимента
Навигационное сообщение всегда передается
в виде последовательности символов цифровой информации
(ЦИ), закодированной кодом Хемминга
и преобразованной в относительный код. Поток
ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся
суперкадров. Суперкадр состоит из нескольких
кадров. Кадр состоит из нескольких строк.
Суперкадр навигационного радиосигнала СТ
ГЛОНАСС имеет длительность 2,5 мин и состоит
из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр
состоитиз15строк длительностью2с.
В каждом кадре суперкадра информация, содержащаяся
в строках с первой по четвертую,
относится к тому НКА, с которого она поступает
(оперативная информация). Эта информация
в пределах суперкадра не меняется. Строки с 6-й
по 15-ю каждого кадра (за исключением 14-й
и 15-й строк 5-го кадра) заняты неоперативной
информацией (альманахами) для НКА с номерами
от 1 до 24: для пяти НКА в кадрах с 1-го по 4-й
и для четырех НКА в 5-м кадре. Неоперативная информация
(альманах) для каждого НКА с номером
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.2
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПЕРЕДАЧЕ АЛЬМАНАХА 49
Рис. 1. Состав ОГ по данным сайта СДКМ
Рис. 2. СхемамакетаНАП станции сбораизмерений
от 1до 24занимаетдве строки. Информация
5-й строки в кадре повторяется в каждом кадре
суперкадра.
В новой редакции ИКД ГЛОНАСС дополнительно
в 4-м и 5-м кадре суперкадра в четвертной
строке передается часть альманаха одного из
шести НКА с номерами, лежащим в диапазоне
от 25 до 30. Номера этих НКА в последовательных
суперкадрах могут идти в произвольном порядке
и определяются только значением nA.НКА
«Глонасс-М» могут передавать в последовательных
суперкадрах альманах одного и того же НКА с номеромот25
по30втечение 30мин.
Для того чтобы проведение космического эксперимента
не повлияло на аппаратуру существующего
парка НАП в сигналах НКА, передающих
расширенный альманах, был предусмотрен признак
«неисправность» в оперативной и неоперативной
информации.
Разработанный макет НАП станции сбора измерений
СДКМ состоит из:
– навигационной антенны частотных диапазонов
L1, L2;
– приемного устройства с модернизированным
программным обеспечением;
– устройства сопряжения с персональным компьютером;
–
персонального компьютера с разработанным
программным обеспечением СПО КОНД;
– комплекта кабелей;
– малошумящего усилителя;
– делителя переменного и постоянного сигнала;
– источника питания.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.3
50
Н. Б.ИПКАЕВ
Рис. 3. Временная диаграмма считывания расширенного альманаха
Структурная схема макета НАП станции сбора
измерений представлена на рис. 2.
Модернизированное программное обеспечение
приемного устройства решало задачи приема
сигналов навигационных космических аппаратов
ГЛОНАСС со следующими характеристиками:
1) номера НКА больше 24;
2) частотные литеры находятся в пределах от −7
до +7;
3) альманах является модернизированным и содержит
в дополнительных разрядах альманахи
от одного до шести НКА.
СПО КОНД выполняет следующие задачи:
– прием и обработку битового потока навигационной
информации с НКА (с модернизированной
структурой суперкадра);
– выделение уточненного альманаха из битового
потока;
– хранение информации обальманахе 30 НКА;
– решение (в апостериорном режиме) навигационной
задачи для заданного набора НКА
с использованием уточненного альманаха
всигналах НКА;
– расшифровку информации резервных разрядов,
формирование временной циклограммы их
считывания, формирование полного массива
альманаха с учетом альманахов дополнительных
НКА;
– формирование файла, содержащего уточненный
альманах, для сравнения с уточненным
альманахом, заложенным на борт НКА.
Космический эксперимент проходил в два этапа.
На первом этапе на борт НКА с системным
номером 5 была произведена закладка альманаха
НКА с системным номером 26 и обеспечена передача
в течение 2 сут (4 витка) с момента закладки.На
втором этапе втечение двух последовательных
витков по каждому НКА была произведена закладка
альманаха на борта шести НКА ГЛОНАСС,
где в качестве расширения альманаха системы использовались
данные НКА с системными номерами
с 25 по 30.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.4
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПЕРЕДАЧЕ АЛЬМАНАХА 51
Таблица 1. Результаты первого этапа космического эксперимента по сигналам СТ системы ГЛОНАСС
Данные, полученные на макете
Исходные данные формирования
суперкадра
CA
1
MA
станции сбора измерений СДКМ
n — обобщенный признак состояния КА
1
n — признак модификации КА 00-Глонасс 01-Глонасс-М 0–3
01
1
nA — условный номер КА в системе 25–30
26
26
HA
27
τA
∆iA
0,0003200872
n — номер частотной литеры
27
n — сдвиг шкалы времени ±1,9 · 10−3
0,0003204345703125
n — поправка к среднему значению наклонения орбиты ±0,067
0,01074123
0,0107412338256836
εn — эксцентриситет орбиты спутника
0,0004816055
ωA
−0,6976929
λA
−0,4478836
tA
∆TA
∆∆TA
n — долгота ±1
−0,447883605957031
λn — время прохождения первого восходящего узла 0–44 100
20 758,375000
20 758,375
−2657,992188
n — поправка к драконическому периоду ±3,6 · 103
−2657,9921875
n — скорость изменения драконического периода ±2−8
0,0005493164
0,00054931640625
Далее рассмотрим результаты работы макета
НАП станции сбора измерений СДКМ на протяжении
всего космического эксперимента.
Результаты первого этапа
космического эксперимента
В результате работы макета НАП станции сбора
измерений СДКМ с 15 по 16 февраля 2014 г. на
НКА ГЛОНАСС с системным номером 5 и частотной
литерой 1 с помощью программы СПО КОНД
была зафиксирована ЦИ в резервных разрядах суперкадра,
содержащая данные альманаха для НКА
с системным номером 26 и номером частотной литеры
27.
Временная диаграмма считывания расширенного
альманаха представлена на рис. 3.
Результаты работы СПО КОНД даны на рис. 4
(желтым цветом указаны резервные разряды).
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
0,000481605529785156
n — аргумент перигея 0–0,03
−0,69769287109375
Стр.5
52
Н. Б.ИПКАЕВ
Рис. 4. Результаты работы программы СПО КОНД
На протяжении всего времени приема ЦИ
в резервных разрядах не изменялась. В ходе
работы программы СПО КОД также был получены
файлы распаковки, содержащие численные значения
в резервных разрядах. Значения полученных
данных на макете станции сбора измерений СДКМ
и исходные данные формирования СТ кадра с расширенным
альманахом представлены в табл. 1.
Результаты второго этапа
космического эксперимента
В результате работы макета НАП станции сбора
измерений СДКМ с 17 по 18 февраля 2014 г.
на следующих 6 НКА ГЛОНАСС:
– с системным номером 1 и частотной литерой 1;
– с системным номером 23 и частотной литерой 3;
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.6
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПЕРЕДАЧЕ АЛЬМАНАХА 53
Рис. 5. Временная диаграмма считывания расширенного альманаха 6 НКА
– с системным номером 5 и частотной литерой 1;
– с системным номером 24 и частотной литерой
3;
– с системным номером 16 и частотной литерой
−1
– с системным номером 9 и частотной литерой
−2;
с помощью программы СПО КОНД была зафиксирована
ЦИ в резервных разрядах суперкадра,
содержащая данные расширенного альманаха для
следующих 6 НКА:
– с системным номером 25 и номером частотной
литеры 28;
– с системным номером 26 и номером частотной
литеры 27;
– с системным номером 27 и номером частотной
литеры 28;
– с системным номером 28 и номером частотной
литеры 25;
– с системным номером 29 и номером частотной
литеры 0;
– с системным номером 30 и номером частотной
литеры 29.
Временная диаграмма считывания расширенного
альманаха представлена на рис. 5. Результаты
работы СПО КОНД при одновременном захвате
3 НКА представлены на рис. 6, 7 (желтым цветок
указаны резервные разряды).
На протяжении всего времени приема ЦИв резервныхразрядахкаждый
НКА последовательно
передавал альманах для НКА с номерами 25–30.
Сам альманах по каждому из дополнительных
НКА оставался неизменным в течение всего времени
приема. Временная диаграмма приема альманахов
для НКА 25–30 от 1 НКА представлена
на рис. 8.
В ходе работы программы СПО КОД были
получены файлы распаковки, содержащие численные
значения в резервных разрядах. Значения полученных
данных на макете станции сбора измерений
СДКМ и исходные данные формирования
СТ-кадра с расширенным альманахом представлены
втабл.2напримере 30НКА.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.7
54
Н. Б.ИПКАЕВ
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Рис. 6. Приемальманаха от НКА ГЛОНАСС ссистемными номерами1,9,23
Стр.8
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПЕРЕДАЧЕ АЛЬМАНАХА 55
Рис. 7. Прием прочей неоперативной информации от НКА ГЛОНАСС с системными номерами 1, 9, 23
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.9
56
Н. Б.ИПКАЕВ
Таблица 2. Результаты второго этапа космического эксперимента по сигналам СТ системы ГЛОНАСС для расширенного
альманаха 30 НКА
Исходные данные формирования
суперкадра
CA
0
MA
Данные, полученные на макете
станции сбора измерений СДКМ
n — обобщенный признак состояния КА
0
n — признак модификации КА 00-Глонасс 01-Глонасс-М 0–3
01
1
nA — условный номер КА в системе 25–30
30
30
HA
29
τA
∆iA
0,000110626
n — номер частотный литеры
29
n — сдвиг шкалы времени ±1,9 · 10−3
0,000110626220703125
n — поправка к среднему значению наклонения орбиты ±0,067
0,01074982
0,0107498168945313
εn — эксцентриситет орбиты спутника
0,003002167
ωA
−0,02664185
λA
−0,4075041
tA
∆TA
∆∆TA
n — долгота ±1
−0,407504081726074
λn — время прохождения первого восходящего узла 0–44 100
18 550,750000
18 550,75
−2656,074219
n — поправка к драконическому периоду ±3,6 · 103
−2656,07421875
n — скорость изменения драконического периода ±2−8
0,0003662109
0,0003662109375
Обсуждение полученных
результатов
На основании полученных результатов можно
сделать выводы, что макет НАП станции сбора
измерений СДКМ в результате экспериментальной
отработки осуществлял прием сигналов с модернизированной
структурой суперкадра, выделял уточненный
альманах из суперкадра.
Наличие признака «неисправность» в оперативной
и неоперативной информации не влияет
на парк раннее разработанных НАП и позволяет
вновь разрабатываемым НАП принимать расширенный
альманах и использовать измерения от
НКА с системными номерами более 24.
Различие исходных данных формирования суперкадра
и полученных макетом НАП станции сбора
измерений СДКМ (табл. 1, 2) в числах, где
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
0,00300216674804688
n — аргумент перигея 0–0,03
−0,026641845703125
Стр.10
АНАЛИЗ РЕЗУЛЬТАТОВ КОСМИЧЕСКОГО ЭКСПЕРИМЕНТА ПО ПЕРЕДАЧЕ АЛЬМАНАХА 57
Рис. 8. Временная диаграмма считывания расширенного альманаха от НКА 1
нужно передать несколько цифр после запятой,
связано с ограничениями разрядной сетки суперкадра.
Для
передачи альманаха на несколько НКА
(рис. 8) необходимо по прошествии времени tb менять
состав неоперативной информации суперкадра,
так как в существующем суперкадре возможно
передать данные расширенного альманаха только
на один НКА.
Входекосмического экспериментатакже было
показано, что изменения в математике НКА и системе
закладки данных не повлияли на их работу
инаточностные характеристикивсейсистемы
ГЛОНАССвцелом.
РАКЕТНО-КОСМИЧЕСКОЕ ПРИБОРОСТРОЕНИЕ И ИНФОРМАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ т. 2 вып. 1 2015
Стр.11