ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования

Изложены принципы построения спутниковой радионавигационной системы (СРНС) ГЛОНАСС, даны ее системные характеристики и основные характеристики подсистем космических аппаратов, наземного контроля и управления, навигационной аппаратуры потребителей, а также дифференциальных дополнений СРНС.
По сравнению с предыдущим изданием существенно переработан материал по направлениям совершенствования технологий спутниковой навигации с учетом новых перспектив по введению сигналов с кодовым разделением и материал по интегрированным инерциально-спутниковым навигационным системам.
Добавлены материалы по использованию сигналов СРНС для определения угловой ориентации объектов и частотно-временной режекции узкополосных помех в аппаратуре потребителей, а также приему сигналов в условиях многолучевости, быстрому поиску сигналов и результаты последних исследований в области пространственно-временной обработки навигационных сигналов, принимаемых на фоне пространственно распределенных помех.
Для широкого круга специалистов, занимающихся разработкой, производством и эксплуатацией аппаратуры потребителей СРНС ГЛОНАСС.
Может быть полезна студентам, аспирантам и преподавателям высших учебных заведений при изучении дисциплин радиотехнического профиля.

Содержание
Предисловие
Введение
Литература
Раздел 1. Общие принципы построения спутниковых радионавигационных систем
Глава 1. Структура спутниковых радионавигационных систем
1.1. Общие сведения
1.2. Подсистема космических аппаратов
1.3. Подсистема контроля и управления
1.4. Навигационная аппаратура потребителей
1.5. Особенности формирования эфемеридной информации в среднеорбитальных СРНС
1.6. Требования различных потребителей к спутниковым радионавигационным системам
Литература
Глава 2. Шкалы времени
2.1. Астрономические шкалы и единицы мер времени
2.2. Атомные шкалы и единицы времени
2.3. Универсальные шкалы времени и шкалы времени, используемые в СРНС
2.4. Локальные шкалы времени в СРНС
2.4. Нестабильность частоты и времени в опорных генераторах
2.5. Синхронизация шкал времени в СРНС
Литература
Глава 3. Траекторное движение навигационных спутников
3.1. Системы координат, используемые в СРНС
3.2. Уравнения невозмущенного траекторного движения НС в инерциальной системе координат
3.3. Классические элементы орбиты спутника
3.4. Движение спутника по невозмущенной орбите
3.5. Уравнения невозмущенного движения НС в инерциальной системе координат с использованием орбитальных элементов
3.6. Общая характеристика возмущенного движения навигационных спутников
3.7. Приближенные уравнения возмущенного движения в геоцентрической подвижной системе координат
3.8. Зоны и время видимости навигационных спутников
Литература
Глава 4. Методы решения навигационных задач
4.1. Общие сведения
4.2. Дальномерный метод
4.3. Псевдо дальномерный метод
4.4. Разностно-дальномерный и псевдо разностно-дальномерный метод
4.5. Радиально-скоростной (доплеровский) метод
4.6. Псевдо радиально-скоростной (псевдо доплеровский) метод
4.7. Разностно-радиально-скоростной метод
4.8. Комбинированные методы
4.9. Определение ориентации с помощью СРНС
Литература
Глава 5. Радиосигналы и навигационные сообщения в спутниковых радионавигационных системах
5.1. Требования, предъявляемые к радиосигналам в СРНС
5.2. Математическое описание радиосигналов
5.3. Фазоманипулированные сигналы
5.3.1. Общие свойства бинарных фазоманипулированных сигналов
5.3.2. М-последовательности. Основные свойства
5.3.3. Последовательности Голда
5.3.4. Последовательности Касами
5.4. Фазоманипулированные сигналы с модуляцией на поднесущих частотах
5.5. Сравнительный анализ потенциальной точности оценки задержки сигналов с различными законами фазовой манипуляции
5.5. Навигационные сообщения в СРНС
5.5.1. Общие сведения
5.5.2. Помехоустойчивое кодирование навигационной информации
5.6. Модуляция радиосигнала навигационным сообщением
5.6.1. Относительная фазовая манипуляция
5.6.2. Фазовая манипуляция радиосигнала
5.7. Синхронизация в приемнике сигналов СРНС
Литература
Глава 6. Методы и алгоритмы обработки сигналов и извлечения навигационной информации
6.1. Общие сведения
6.2. Поиск сигналов по задержке и частоте
6.3. Общие принципы построения следящих систем в аппаратуре спутниковой навигации
6.3.1. Навигационный приемник с двухэтапной обработкой сигналов
6.3.2. Формирование оценок информационных процессов на основе следящих систем
6.3.3. Когерентная и некогерентная обработка сигналов в приемнике
6.3.4. Синтез дискриминаторов следящих систем
6.3.4.1. Синтез дискриминаторов когерентных приемников
6.3.4.2. Синтез дискриминаторов некогерентных приемников
6.3.4.3. Синтез дискриминаторов с оптимальным накоплением
6.3.5. Выделение навигационного сообщения
6.3.6. Синтез сглаживающих фильтров
6.3.6.1. Оптимальный фильтр третьего порядка для следящей системы за фазой сигнала
6.3.6.2. Оптимальный фильтр второго порядка для следящей системы за задержкой огибающей сигнала
6.3.6.3. Оптимальный фильтр второго порядка для следящей системы за частотой сигнала
6.3.6.4. Комплексный фильтр слежения за фазой и частотой сигнала в когерентном приемнике
6.3.6.5. Комплексный фильтр слежения за задержкой огибающей и доплеровской частотой сигнала в некогерентном приемнике
6.3.6.6. Комплексный фильтр слежения за задержкой огибающей и фазой сигнала когерентного приемника
6.3.6.7. Комплексный фильтр слежения за задержкой огибающей с поддержкой оценки доплеровской частоты сигнала когерентного приемника
6.4. Алгоритмы вторичной обработки (навигационные алгоритмы)
6.4.1. Вторичные наблюдения
6.4.2. Алгоритмы вторичного сглаживания оценок псевдо дальности
6.4.2.1. Вторичное сглаживания оценок псевдо дальности оценками псевдо доплеровского смещения частоты
6.4.2.2. Вторичное сглаживания оценок псевдо дальности приращениями оценок фазы
6.4.3. Одношаговый алгоритм вторичной обработки
6.4.4. Фильтрационные алгоритмы вторичной обработки
6.5. Одноэтапная обработка сигналов в приемниках СРНС
6.5.1. Общие сведения
6.5.2. Синтез одноэтапного алгоритма обработки сигналов для некогерентного режима работы
6.5.2.1. Синтез многомерного дискриминатора с когерентной обработкой
6.5.2.2. Синтез интегрированного сглаживающего фильтра
6.5.3. Синтез одноэтапного алгоритма обработки сигналов для некогерентного режима работы
6.5.3.1. Синтез многомерного дискриминатора
6.5.3.2. Синтез сглаживающего фильтра
6.6. Прием сигналов в условиях многолучевости
6.6.1. Общая характеристика многолучевости
6.6.2. Оптимальные алгоритмы приёма в условиях многолучевости
6.6.3. Дискриминационная характеристика
6.6.4. Потенциальные характеристики точности
6.6.5. Характеристики "некогерентного" алгоритма обработки
Приложение к гл. 6. Статистические характеристики дискриминаторов
П6.1. Статистические характеристики синфазных и квадратурных компонент корреляторов когерентного приемника
П.6.2. Статистические характеристики синфазных и квадратурных компонент корреляторов некогерентного приемника
П6.3. Статистические характеристики фазовых дискриминаторов П6.4. Статистические характеристики частотных дискриминаторов
П6.5. Статистические характеристики дискриминаторов задержки сигнала
Литература
Глава 7. Источники погрешностей и точность навигационно-временных определений в СРНС
7.1. Составляющие погрешности определения псевдо дальности
7.2. Составляющие погрешности определения псевдо скорости
7.3. Влияние среды распространения на параметры сигнала
7.3.1. Групповая и фазовая скорость распространения сигнала
7.3.2. Коэффициент преломления среды
7.3.3. Влияние ионосферы на запаздывание сигнала
7.3.4. Влияние тропосферы на запаздывание сигнала
7.4. Влияние релятивистских и гравитационных эффектов
7.5. Влияние многолучевого распространения сигнала
7.6. Погрешности, вносимые навигационным приемником
7.7. Методы снижения погрешностей определения псевдо дальности и псевдо скорости
7.8. Бюджет погрешностей определения псевдо дальности и псевдо скорости
7.9. Погрешности, вносимые на этапе решения навигационной задачи
7.9.1. Погрешности эфемеридного обеспечения
7.9.2. Геометрический фактор в СРНС
Литература
Глава 8. Помехоустойчивость аппаратуры потребителей
8.1. Общие определения и подходы
8.2. Методика оценки помехоустойчивости навигационного приемника
8.2.1. Методика оценки влияния помех на коррелятор
8.2.2.Методы расчета помеховой составляющей на выходе коррелятора
8.3. Анализ внутрисистемных помех при использовании различных типов навигационных сигналов с кодовым разделением
8.3.1. Анализ внутрисистемных помех при использовании сигналов с модуляцией BPSK (n)
8.3.2. Анализ внутрисистемных помех при использовании сигналов с модуляцией ВОС (т, п)
8.3.3. Анализ внутрисистемных помех с учетом расстройки помехового и навигационного сигнала по частоте
8.4. Анализ воздействия различного типа помех на НАП, работающую по различным типам навигационных сигналов с кодовым разделением
8.5. Помехоустойчивость режимов поиска и захвата сигнала
8.6. Методика приближенной оценки помехоустойчивости следящих систем
8.7. Помехоустойчивость автономной системы слежения за фазой сигнала
8.8. Помехоустойчивость автономной системы слежения за частотой сигнала
8.9. Помехоустойчивость системы слежения за задержкой сигнала
8.10. Помехоустойчивость приемника с учетом взаимного влияния следящих систем
8.10.1. Помехоустойчивость некогерентного приемника
8.10.2. Помехоустойчивость когерентного приемника
8.11. Помехоустойчивость комплексированных следящих систем
Литература
Раздел 2. Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС
Глава 9. Общие сведения о спутниковой радионавигационной системе ГЛОНАСС
9.1. Структура и основные характеристики
9.2. Этапы развертывания
9.3. Система координат, используемая в СРНС ГЛОНАСС
9.4. Частотно-временное обеспечение. Шкалы времени системы ГЛОНАСС
Литература
Глава 10. Наземный сегмент (подсистема контроля и управления)
10.1. Назначение и состав подсистемы контроля и управления
10.1.1. Общие сведения
10.1.2. Центр управления системой
10.1.3. Контрольные станции
10.1.4. Квантово-оптические станции
10.1.5. Система контроля фаз
10.1.6. Аппаратура контроля поля
10.2. Эфемеридное обеспечение
10.2.1. Особенности формирования эфемеридной информации в ГЛОНАСС
10.2.2. Типовые операции управления
10.2.3. Технология определения траектории движения спутника
Литература
Глава 11. Подсистема космических аппаратов
11.1. Орбитальные характеристики спутников
11.2. Радиосигналы в СРНС ГЛОНАСС
11.2.1. Виды используемых сигналов
11.2.2. Характеристики излучаемых навигационных радиосигналов
11.3. Характеристики модулирующих последовательностей
11.4. Навигационные сообщения в СРНС ГЛОНАСС
11.4.1. Общие сведения
11.4.2. Эфемериды НС ГЛОНАСС
11.4.3. Альманах системы ГЛОНАСС
11.4.4. Резервные разряды в суперкадре
11.4.5. Контроль достоверности навигационных данных
11.5. Контроль целостности СРНС ГЛОНАСС
11.6. Навигационные спутники системы ГЛОНАСС
11.6.1. Навигационный спутник "Глонасс"
11.6.2. Навигационный спутник "Глонасс - М"
11.6.3. Навигационный спутник "Глонасс-К"
11.6.4. Пассивный спутник "Эталон"
11.6.5. Особенности построения навигационного спутника
11.6.6. Логика функционирования навигационного спутника
11.7. Бортовой радиотехнический комплекс спутника
11.7.1. Бортовой источник навигационных радиосигналов
11.7.2. Антенно-фидерная система
11.7.3. Бортовая аппаратура межспутниковых измерений
11.7.4. Бортовое синхронизирующее устройство
11.7.5. Бортовой комплекс управления
11.7.6. Система ориентации и стабилизации и другие вспомогательные системы
11.7.7. Функционирование бортовых систем спутника
Литература
Глава 12. Дифференциальные режимы спутниковой радионавигационной системы ГЛОНАСС
12.1. Принципы организации дифференциальных режимов
12.2. Математические модели для дифференциальных режимов
12.3. Пространственно-временные характеристики дифференциальных поправок
12.4. Дифференциальные поправки к погрешностям эфемеридного обеспечения
12.5. Бюджет погрешностей определения псевдо дальности в дифференциальном режиме
12.6. Контроль целостности СРНС в дифференциальных подсистемах
12.7. Форматы данных, используемые при передаче информации в дифференциальных подсистемах
12.8. Примеры построения дифференциальных подсистем
12.8.1. Морские локальные дифференциальные подсистемы
12.8.2. Перспективная Российская дифференциальная подсистема
12.8.3. Широкозонная ДПС WAAS
Литература
Глава 13. Аппаратура потребителей
13.1. Принципы построения аппаратуры потребителей
13.2. Антенна навигационного приемника
13.3. Радиоприемник
13.4. Аналого-цифровой преобразователь
13.5. Опорный генератор и синтезатор частот
13.6. Многоканальный коррелятор
13.7. Алгоритмы первичной обработки сигналов
13.7.1. Алгоритм поиска и обнаружения
13.7.2. Алгоритм работы и схема слежения за фазой сигнала
13.7.3. Алгоритм работы и схема слежения за задержкой сигнала
13.7.4. Алгоритм работы и схема слежения за частотой сигнала
13.7.5. Алгоритмы работы дискретных фильтров в контуре следящих систем
13.7.6. Алгоритмы управления генераторами опорных сигналов в следящих системах
13.7.7. Алгоритм выделения навигационного сообщения
13.8. Алгоритмы вторичной обработки информации
13.8.1. Оценка координат и вектора скорости потребителя
13.8.2. Расчет вектора состояния НС на основе неоперативной информации (альманаха)
13.8.3. Расчет вектора состояния НС на основе оперативной информации
13.8.4. Пересчет координат потребителя из земной в геодезическую систему координат
13.9. Использование оптимальных алгоритмов обработки сигналов и информации в аппаратуре потребителей
Литература
Раздел 3. Направления развития технологий спутниковой навигации
Глава 14. Направления совершенствования системы ГЛОНАСС
14.1. Модернизация ГНС ГЛОНАСС
14.2. Сигналы ГНС ГЛОНАСС
14.2.1. Концепция развития навигационных сигналов ГНС ГЛОНАСС
14.2.2. Частотный план для сигналов с кодовым разделением
14.2.3. Навигационный сигнал L30C
14.2.4. Навигационный сигнал LIOC с модуляцией ВОС(6,4)
14.3. Система глобального мониторинга СРНС
14.3.1. Необходимость создания расширенной системы мониторинга систем ГЛОНАСС/GPS
14.3.2. Основные задачи системы мониторинга СРНС
14.3.3. Структура системы мониторинга целостности СРНС
14.3.4. Предоставление потребителям доступа к результатам работы системы мониторинга
14.3.5. Характеристики канала, передающего информацию о целостности с борта НС "Глонасс-К"
14.3.6. Оценка надежности системы мониторинга
Глава 15. Навигационно-временные определения, основанные на фазовых измерениях
15.1. Описание измерений первичных радионавигационных параметров, выполняемых в приемнике СРНС
15.1.1. Понятие сигнального времени
15.1.2. Модели фазовых и кодовых измерений в СРНС
15.1.3. Модели наблюдений радионавигационных параметров в СРНС, используемые для высокоточных НВО
15.1.4. Методика проверки точности математических моделей измерений радионавигационных параметров в СРНС
15.2. Методы разрешения неоднозначности фазовых измерений на уровне вторичной обработки
15.2.1. Общие подходы к разрешению неоднозначности фазовых измерений
15.2.2. Беспереборные процедуры разрешения неоднозначности
15.3. Применение методов оптимальной фильтрации для синтеза алгоритмов навигационно-временных определений, основанных на фазовых измерениях
15.3.1. Метод дополнительной переменной
15.3.2. Оценка задержки одночастотного когерентного радиосигнала
15.3.3. Оценка задержки двухчастотного когерентного радиосигнала
15.3.4. Общая задача оценки параметров при наличии в наблюдениях периодических функций
15.3.5. Задача фильтрации при наличии в наблюдениях периодических функций
15.3.6. Модифицированный алгоритм фильтрации с разрешением неоднозначности методом дополнительной переменной
15.4. Алгоритмы навигационно-временных определений при использовании фазовых измерений
15.4.1. Постановка задачи синтеза алгоритма навигационно-временных определений
15.4.2. Общая методика синтеза алгоритмов НВО с использованием фазовых измерений в СРНС на этапе вторичной обработки
15.4.3. Результаты экспериментальных исследований
Литература
Глава 16. Определение угловой ориентации по сигналам спутниковых радионавигационных систем
16.1. Синтез оптимального алгоритма оценки углов ориентации объекта по сигналам СРНС
16.2. Потенциальная точность определения углов ориентации
16.3. Оптимальная фильтрация разности фаз двух сигналов СРНС, принятых в пространственно разнесенных точках
16.4. Оптимальный навигационный приемник для устройства определения углов ориентации объекта по сигналам
спутниковых радионавигационных систем
Литература
Глава 17. Интегрированные инерциально-спутниковые навигационные системы
17.1. Принципы построения интегрированных инерциально- спутниковых навигационных систем
17.2. Синтез алгоритмов комплексирования НАП СРНС/ИНС
17.2.1. Модернизированный вариант комплексирования
17.2.2. Синтез тесносвязанного алгоритма комплексирования НАП СРНС/ИНС
17.2.3. Синтез алгоритма комплексирования на вторичном уровне (слабосвязанный алгоритм)
17.2.4. Синтез алгоритма коррекции ИНС от НАП СРНС (разомкнутый алгоритм)
17.3. Точность и помехоустойчивость интегрированных инерциально-спутниковых систем навигации
17.3.1. Точность интегрированных инерциально-спутниковых систем навигации в комплексном режиме
17.3.2. Точность интегрированных инерциально-спутниковых систем навигации в автономном режиме
17.3.3. Помехоустойчивость интегрированных инерциально-спутниковых систем навигации
17.4. Обзор современных интегрированных инерциально-спутниковых систем навигации
17.5. Синхронизация измерений в инерциально-спутниковых навигационных системах
Приложение к гл. 17. Основы инерциальной навигации
П17.1. Алгоритм бесплатформенной ИНС
П17.2. Модели ошибок БИНС
П17.3. Кватернионы
П17.4. Математические соотношения между различными формами представления ориентации
Литература
Глава 18. Пространственно-временная обработка сигналов в аппаратуре потребителей
18.1. Принцип пространственного подавления помех
18.2. Алгоритм оптимальной пространственно-временной обработки
18.3. Классический антенный компенсатор помех
18.4. Структура оптимального пространственного фильтра
18.5. Характеристики алгоритмов пространственной обработки сигналов
18.6. Формирование весовых коэффициентов
18.6.1. Оптимальный "следящий" алгоритм
18.6.2. Оптимальный неследящий алгоритм
18.6.3. Алгоритм с разделением пространственного и временного операторов
18.6.4. Характеристики адаптации
18.7. Технологический прорыв в пространственной компенсации помех
18.8. Экспериментальная проверка компенсаторов помех для приемника спутниковой навигации
18.8.1. Экспериментальная проверка двухканального компенсатора помех
18.8.2. Экспериментальные исследования возможности повышения характеристик подавления путем коррекции ЧХ
18.8.3. Анализ возможностей повышения характеристик подавления путем коррекции ЧХ
18.8.4. Экспериментальные исследования цифрового АКП для приемника СРНС
18.9. Известные устройства пространственного подавления помех
Литература
Глава 19. Частотно-временная режекция узкополосных помех
19.1. Теоретическое обоснование методов частотно-временной компенсации помех
19.1.1. Метод оптимальной оценки параметров помехи
19.1.2. Метод адаптивных трансверсальных фильтров
19.1.3. Метод режекции помехи в частотной области на основе БПФ
19.1.4. Краткая характеристика методов и устройств частотно-временной компенсации помех
19.2. Синтез и анализ трансверсального фильтра
19.3. Режекция узкополосных помех в частотной области на основе БПФ
19.4. Сравнение эффективности алгоритма режекции узкополосных помех в частотной области и трансверсального фильтра
Литература
Список сокращений