ГЛОНАСС: декада перехода на сигналы с кодовым разделением

Сергей Карутин

ГЛОНАСС остается основой системы координатно-временного обеспечения Российской Федерации и используется потребителями во всем мире. Только в России ежегодно вводится в оборот более 25 млн. новых навигационных приемников ГЛОНАСС и других ГНСС в сфере связи, транспорте, энергетике и сельском хозяйстве. Для данных потребителей важен постоянный рост качества навигационного обеспечения, который в первую очередь основана на совершенствовании базового радионавигационного поля, формируемого космическим комплексом ГЛОНАСС.

Космический комплекс состоит из орбитальной группировки космических аппаратов на средних круговых орбитах, модернизированного наземного комплекса управления и парка аппаратуры потребителя. В состав орбитальной группировки входят 26 космических аппаратов трех поколений и 5 модификаций. Основным космическим аппаратом последние 15 лет остается Глонасс-М, таких аппаратов в группировке 21. Их высокая надежность подтверждается фактом работы 14 сверх гарантийного срока активного существования. Планомерно ведется их замена космическими аппаратами Глонасс-К, которых в группировке уже 4. Параллельно с запусками этих космических аппаратов, 07 августа этого года начаты летные испытания Глонасс-К2.

Основным потребительским интерфейсом ГЛОНАСС являются навигационные сигналы и с момента запуска первого космического аппарата уже эта система прошла через существенные изменения. Изначально каждый из 24 космических аппаратов ГЛОНАСС излучал сигналы на собственных несущих частотах в диапазонах L1 и L2 (рис. 1а) и зарегистрированная спутниковая сеть ГЛОНАСС М имела общий спектр сигналов 23,72 МГц в диапазоне L1 и 20,72 МГц в диапазоне L2.

Рис. 1а

В 1995 году в целях обеспечения защиты радиоастрономического диапазона, используемого для поиска источников внеземной жизни, Российская Федерация приняла обязательства по защите данного диапазона. На первом этапе (до 1998 года) прекратилось вещание навигационных сигналов с литерами 16 – 20, литеры 13, 14, 20 и 21 использовались в исключительных обстоятельствах (рис. 1б). Все вновь запускавшиеся космические аппараты излучали сигналы с литерами 0 – 12 и спектр сигналов космических аппаратов ГЛОНАСС сократился к 2005 году до 16,97 МГц в диапазоне L1 и до 15,47 МГц в диапазоне L2.

Рис. 1б

На третьем этапе (начиная с 2005 года) космические аппараты ГЛОНАСС используют для излучения навигационных сигналов с частотным разделением литеры от -7 до +6 (рис. 1в). В результате верхняя частота спектра сигналов ГЛОНАСС в диапазоне L1 опустилась с 1620,61 до 1610,485 МГц, а нижняя граница изменилась с 1596,89 до 1592,953 МГц. Аналогичным образом изменилась полоса частот в диапазоне L2.

Рис. 1в

В целях повышения потребительских характеристик ГЛОНАСС создан космический аппарат «Глонасс-К2», излучающий новые сигналы с кодовым разделением в указанных диапазонах, а также диапазоне L3. Первый аппарат данного типа успешно выведен на орбиту 07 августа этого года и уже излучает новые сигналы с кодовым разделением (рис. 1д).

Рис. 1д

В целях анализа спектральных и энергетических характеристик данного космического аппарата наблюдение излучаемых сигналов проводится с использованием радиотелескопа Московского государственного технического университета им. Н.Э. Баумана.

Радиотелескоп обладает крупноапертурной полноповоротной антенной диаметром 7,75 м, которая обеспечивает ширину главного лепестка диаграммы направленности антенны в диапазоне 1,6 ГГц в 1,8 градуса и усиление в 40 дБ для принимаемых сигналов навигационных космических аппаратов.

Поэтому для потребителей в первую очередь интерес представляет новый навигационный сигнал с кодовым разделением L1OC, излучаемый совместно с традиционным сигналом L1OF. Совместный группой спектр сигналов с частотным разделением на несущей частоте 1598,625 МГц, соответствующей литере -6, и сигналов с кодовым разделением на частоте 1600,995 МГц показан на рис. 2.

Рис. 2

Опыт практической эксплуатации космических аппаратов последних лет выпуска показывает, что они эксплуатируются в среднем 1,5 раза дольше планового срока службы. Крайний космический аппарат «Глонасс-М» № 761, запущенный в прошлом году, был изготовлен в 2015 году и провел на хранении 7 лет. Указанные обстоятельства позволяют прогнозировать, что полное обновление группировки новыми космическими аппаратами «Глонасс-К2», излучающими полный ансамбль сигналов с кодовым разделением возможен к 2035 году.

В наступающем 2024 году продолжится обновление орбитальной группировки путем запуска находящихся на хранении космических аппаратов «Глонасс-К», а также запуск еще одного космического аппарата «Глонасс-К2». Наличие двух данных аппаратов позволит провести испытание межспутниковой лазерной навигационно-связной системы, а также беззапросной квантово-оптической системы (БКОС).

БКОС является уникальным решением, позволяющим измерять псевдодальность в оптическом диапазоне на базе отечественных квантово-оптических систем с длиной волны 532 нм. Элементами этого тракта стала специальная аппаратура регистрации моментов посылки лазерного импульса наземной станцией (НБКОС) и его регистрации на борту КА (ББКОС). Как следствие, на всех КА системы ГЛОНАСС нового поколения, обеспечивается получение как классических запросных (двухпутевых) измерений, так и беззапросных (однопутевых) измерений с субнаносекундной точностью определения расхождения шкал времени по данным лазерно-оптических систем.

Обработка измерений запросного и беззапросного тракта позволяет получать их разностные комбинации в интересах сравнения шкал времени бортовых и наземных стандартов на ранее не достижимом пикосекундном уровне точности. Точность данных БКОС является достаточной для обеспечения летных испытаний перспективных образцов бортовых стандартов нового поколения с суточной нестабильностью частоты σ на уровне 5*10^-15. Дополнительно поставлена и решена задача сравнения шкал времени удаленных наземных стандартов посредством формирования разностных измерений в режиме пространственно-временной редукции с точностью, не достижимой ранее при использовании ни одной из известных техник (методов).

Достигнутый уровень точности данных БКОС является достаточным для калибровки беззапросных измерительных трактов в интересах перспективных КА системы ГЛОНАСС, включая тракты запросных систем, межспутниковых линий, а также ионосферно-свободных линейных комбинаций измерений беззапросных измерительных средств по сигналам с частотным и с кодовым разделением. Полученные результаты соответствуют мировому уровню точности решения задач в области метрологии и обеспечения единства измерений, а созданные БКОС и технологии на основе использования их измерений в полной мере способствуют решению задач метрологического обеспечения космического комплекса системы ГЛОНАСС с перспективными КА серии «Глонасс-К2» и наземным сегментом в процессе его летных испытаний и штатной эксплуатации.

Источник:  https://www.gpsworld.com/glonass-the-decade-of-transition-to-cdma-signals/