Измерение расстояний до навигационных спутников «СР8»

В связи с тем, что любая «ОР8» основана на определении расстояний до навигационных спутников, очевидно должны быть разработаны и со­ответствующие методы их определения.

Основной принцип определения расстояний до навигационных спут­ников состоит в измерении времени, за которое радиосигнал спутника достигает приемника на Земле, и в последующем вычислении по этому времени искомого расстояния.

Поскольку радиоволны распространяются с огромной скоростью, т. е. со скоростью света (около 300 000 км/с), нужно уметь очень точно определять момент выдачи сообщения навигационным спутником и мо­мент его приема приемником «ОР8» на Земле. Очевидно разница (сдвиж­ка) во времени выдачи сигнала спутником и его приемом на Земле даст время распространения сигнала а, следовательно, и расстояние до данно­го спутника. При таком подходе часы в системе должны быть исключи­тельно точными и совершенными. Действительно, при ошибке в опреде­лении времени распространения радиосигнала всего на 0,01 с ошибка в определении расстояния составит порядка 3000 км.

На каждом навигационном спутнике, в связи с этим, установлен ком­плект из 4-х самых точных атомных часов, которые чрезвычайно дороги и громоздки. На всех приемниках «ОР8» вынужденно, устанавливают очень дешевые и компактные кварцевые часы, которые, однако, сущест­венно уступают по точности хода атомным.

Главной трудностью определения времени распространения радио­сигнала является точное выделение момента, времени, в которое радио­сигнал был передан со спутника. В системах «ОР8» эта задача решена синхронизацией сигналов навигационных спутников в Космосе и прием­ников «ОР8» на Земле таким образом, чтобы они точно в одно и то же вре­мя генерировали один и тот же бинарный (двоичный) код. Бинарный код — это очень сложная, тщательно подобранная и кажущаяся случайной последовательность логических нулей и единиц, которая повторяется ка­ждую миллисекунду. Такие специально усложненные коды (для надеж­ности и однозначности их сравнения) называют псевдослучайными кода­ми (рис. 21.4).

Учитывая, что псевдослучайные коды на спутниках и приемниках строго синхро­низированы, для определения времени рас­пространения радиосигнала и, следова­тельно, расстояния до данного спутника,

Р и с. 21.4. Псевдослучайный код достаточно ПРИНЯТЬ ОТ НвГО радиосигнал И

--- 4ЯЭ ОЛШОЩЛ

^ П§Й П_1ШП_ППЛ1ШЦ1 |

^И ^Н I разница I

■ во ■
I времени |
»■*-------------- ^«

Рис. 21.5. Определение времени распространения радиосигнала по сдвижке псевдослучайных кодов

сопоставить его с точно таким же псевдослучайным кодом приемника. Сдвиг одного кода по отношению к другому будет соответствовать вре­мени прохождения радиосигнала от навигационного спутника до прием­ника «ОР8» (рис. 21.5).

Поскольку точность измерения времени распространения радиосиг­нала кварцевыми часами приемников существенно уступает точности хода атомных часов навигационных спутников, возникает проблема уст­ранения смещения шкалы времени приемников «ОР8».

Можно легко установить, что если три точных измерения времени распространения радиосигналов спутников позволяют определить точ­ное местоположение точки в трехмерном пространстве, то то же самое обеспечивают четыре неточных измерения времени.

Для облегчения понимания этого принципа рассмотрим решение этой задачи в двухмерном пространстве, т. е. на плоскости, временно исклю­чив одно измерение.

Представим себе, что мы находимся на расстоянии в 4 с от спутника А и в 6 с от спутника В. Этих двух точных измерений было бы достаточно для однозначного определения местоположения точки 1 на плоскости (рис. 21.6, 7).

Таким образом, местоположение точки 1 было бы установлено, если бы часы приемников «ОР8» были бы столь же совершенны, как и атом­ные часы на навигационных спутниках. Теперь представим себе, что ус­ловно часы в приемниках отстают на одну секунду. Тогда расстояния до искомой точки были бы установлены с соответствующими ошибками и составили соответственно до спутника А — 5 с и до спутника В — 7 с. В результате положение искомой точки 1 было бы ошибочно определено в точке 2 (рис. 21.6, 2).

Следует иметь в виду, что внешне это бы выглядело абсолютно пра­вильным результатом, поскольку у нас нет возможности установить, что часы приемника отстают.

' 275

Рис. 21.6. Определение местоположения точки на плоскости по двум измерениям: / — по двум точным измерениям; 2 — ошибочное определение местоположения точки по