Навигационные сообщения ГЛОНАСС

 

Формирование навигационного сообщения 

Информация навигационного сообщения, формируется в виде непрерывно следующих строк длительностью 2 с. В первой части каждой строки в течение 1,7 с передается информация навигационного сообщения. Во второй части каждой строки в течение 0,3 с передаётся двоичный код метки времени.

 

Двоичная последовательность информации навигационного сообщения образуется в результате сложения по модулю 2 двух двоичных последовательностей:

- последовательности символов цифровой информации навигационного сообщения в относительном коде с длительностью символов 20 мс;

- последовательности меандра с длительностью символов 10 мс.

 

Двоичный код метки времени представляет собой укороченную двоичную ПС (ПСПМВ) последовательность длиной 30 символов с длительностью символов 10 мс, которая описывается образующим полиномом

g(х) = 1 + х³ + х⁵

и имеет вид:

111110001101110101000010010110.

Первый символ цифровой информации в каждой строке всегда "0". Он является "холостым" и дополняет укороченную ПСП МВ предыдущей строки до полной (не укороченной) ПС последовательности.

Упрощенная структурная схема формирования последовательности данных приведена на рис. 3.

Рис. 3. Структурная схема формирования последовательности данных

 

В излучаемом навигационном радиосигнале границы двухсекундных строк, границы символов цифровой информации, границы символов меандра, границы символов ПСПМВ и границы символов ПСПД синхронизированы между собой; границы символов меандра и границы символов цифровой информации совпадают с передними фронтами начальных символов ПСПД. Задний фронт последнего символа ПСПМВ в излученном навигационном радиосигнале является меткой времени и соответствует моменту времени, отстоящему от начала суток на целое четное количество секунд в шкале времени спутника.

Временные соотношения между синхроимпульсами модулирующей двоичной последовательности информации навигационного сообщения и дальномерным кодом ПСПД приведены на рис. 4.

Рис. 4. Временные соотношения между синхроимпульсами  модулирующего навигационного сигнала и дальномерным кодом ПСПД

 

Процесс формирования двоичной последовательности информации навигационного сообщения поясняет рис. 5.

 

 

Рис. 5.  Формирование последовательности данных в процессоре спутника

 

 

Структура навигационного сообщения

 

Передаваемое в навигационных радиосигналах НКА ГЛОНАСС и ГЛОНАСС-М навигационное сообщение предназначено для проведения потребителями навигационных определений, привязки к точному времени и для планирования сеансов навигации.

По своему содержанию навигационное сообщение подразделяется на оперативную и неоперативную информацию.

 

Оперативная информация относится к тому НКА, с борта которого передается данный навигационный радиосигнал и содержит:

• оцифровку меток времени НКА;

• сдвиг шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС;

• относительное отличие несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала от номинального значения;

• эфемериды НКА и другие параметры.

 

Неоперативная информация содержит альманах системы, включающий в себя:

• данные о состоянии всех НКА системы (альманах состояния);

• сдвиг шкалы времени каждого НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС (альманах фаз);

• параметры орбит всех НКА системы (альманах орбит);

• сдвиг шкалы времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU) и другие параметры.

 

Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации (ЦИ), закодированной по коду Хемминга и преобразованной в относительный код. Структурно поток ЦИ формируется в виде непрерывно повторяющихся суперкадров. Суперкадр состоит из нескольких кадров, кадр состоит из нескольких строк.

Границы строк, кадров и суперкадров различных НКА синхронны с погрешностью не более 2 мс.

 

Структура суперкадра

Суперкадр имеет длительность 2,5 мин и состоит из 5 кадров длительностью 30 с. Каждый кадр состоит из 15 строк длительностью 2 с.

В пределах каждого суперкадра передается полный объем неоперативной информации (альманах) для всех 24 НКА системы ГЛОНАСС.

На рис. 6. приведена структура суперкадра с указанием номеров кадров в суперкадре и номеров строк в кадрах.

 

 

 

Рис. 6.  Структура суперкадра

 

 

Структура кадра

Каждый навигационный кадр имеет длительность 30 с и состоит из пятнадцати строк длительностью 2 с каждая. В пределах каждого кадра передается полный объем оперативной ЦИ для данного НКА и часть неоперативной ЦИ. На рис. 7а и 7б показана структура кадров в суперкадре.

 

 

Рис. 7а.  Структура навигационных кадров с 1-го по 4-й кадр

 

 

Рис. 7б.  Структура 5-го навигационного кадра

 

Навигационные кадры с первого по четвертый идентичны. Заштрихованные области на рисунке, изображающем навигационный кадр, представляют собой резерв, предусмотренный на случай изменений и дополнений в структуре навигационного сообщения.

В каждом кадре суперкадра информация, содержащаяся в строках с первой по четвертую, относится к тому спутнику, с которого она поступает (оперативная информация). Эта информация в пределах суперкадра не меняется.

Строки с шестой по пятнадцатую каждого кадра заняты неоперативной информацией (альманах) для 24-х спутников системы: по пяти спутникам в кадрах с первого по четвертый и по четырем спутникам в пятом кадре. Неоперативная информация (альманах) для одного спутника занимает две строки. Информация пятой строки в кадре относится к неоперативной информации и повторяется в каждом кадре суперкадра.

Альманах системы ГЛОНАСС, передаваемый в пределах суперкадра, распределяется по навигационным кадрам как показано в таблице 2.

 

Таблица 2. Распределение альманаха системы ГЛОНАСС по кадрам

 

 

Структура информационной строки в кадре

Информационная строка является структурным элементом навигационного кадра. Структура информационной строки показана на рис. 8. Каждая строка содержит двоичные символы ЦИ и метку времени. Длительность строки ЦИ равна 2 с, и из них 0,3 с в конце строки занимает МВ в виде укороченной ПС последовательности ПСПМВ, состоящей из 30-ти символов длительностью 10 мс. Остальную часть строки (1,7 с) занимает собственно ЦИ с символьной частотой 50 Гц, сложенная по модулю два с меандром двойной символьной частоты 100 Гц (бидвоичный код). Таким образом, каждая строка содержит 85 двоичных символов ЦИ. Нумерация позиций символов в строке осуществляется справа налево. Наряду с информационными символами (позиции 84-9) в каждой строке ЦИ передаются 8 проверочных символов (позиции 1-8) кода Хемминга (КХ), позволяющие производить проверку достоверности символов ЦИ в строке. Код Хемминга имеет кодовое расстояние равное четырем. Таким образом возможно обнаружение до 4 и исправление одной ошибок приема символов в строке. Разделение строк ЦИ осуществляется с помощью меток времени (МВ). Слова ЦИ записываются старшими разрядами слева. Передача ЦИ осуществляется старшими разрядами вперед. В каждой строке последний символ (85-я позиция) является "холостым", он необходим для реализации последовательного относительного кода при передаче ЦИ по радиолинии. В качестве "холостого" символа принят "0".

 

Рис. 8.  Структура информационной строки

 

Оперативная информация навигационного сообщения и эфемериды НКА

 

Количество разрядов, цена младшего разряда, диапазон значений и единицы измерения параметров эфемерид приведены в таблице 3. В словах, числовые значения которых могут принимать положительные и отрицательные значения, старший разряд является знаковым, символ "0" соответствует знаку "плюс", а символ "1" - знаку "минус".

Параметры эфемерид НКА периодически определяются подсистемой контроля и управления и закладываются на все спутники системы. Среднеквадратические значения погрешностей передаваемых местоположения и скорости спутников в орбитальной системе координат при суточном прогнозе приведены в таблице 4.

Ниже приводятся буквенные обозначения слов оперативной информации, и поясняется их смысловое содержание.

Слово m - номер строки в навигационном кадре;

Слово t_К - время начала кадра внутри текущих суток, исчисляемое в шкале бортового времени. В 5 старших разрядах записывается количество целых часов, прошедших с начала текущих суток. В 6 средних разрядах записывается количество целых минут, а в младшем разряде - количество 30-секундных интервалов, прошедших с начала текущей минуты.

Начало суток по бортовому времени спутника совпадает с началом очередного суперкадра;

 

Слово В_n – признак недостоверности кадра n-го НКА. Аппаратурой потребителя анализируется только старший разряд этого слова, "1" в котором обозначает факт непригодности данного спутника для проведения сеансов измерений. Второй и третий разряды этого слова аппаратурой потребителя не анализируются;

Слово t_b – порядковый номер временного интервала внутри текущих суток по шкале системного времени ГЛОНАСС, к середине которого относится передаваемая в кадре оперативная информация. Длительность данного временного интервала и, следовательно, максимальное значение слова t_b определяются значением слова P1;

Слово P – признак режима работы НКА по частотно-временной информа­ции. Значения признака следующие:

00 – ретрансляция параметра τ_с, ретрансляция параметра τ_GPS;

01 - ретрансляция параметра τ_с, размножение параметра τ_GPS на борту НКА;

10 - размножение параметра τ_с на борту НКА, ретрансляция параметра τ_GPS;

11 - размножение параметра τ_с на борту НКА, размножение параметра τ_GPS на борту НКА.

Слово Р1 - признак смены оперативной информации; признак сообщает величину интервала времени между значениями t_b (мин) в данном и предыдущем кадрах, как показано в таблице 6;

Слово Р2 - признак нечетности ("1") или четности ("0") числового значения слова t_b (для интервалов 30 или 60 минут);

Слово Р3 - признак, состояние "1" которого означает, что в данном кадре передается альманах для 5-ти спутников системы, а состояние "0" означает, что в данном кадре передается альманах для 4-х спутников;

Слово Р4 – признак того, что на текущем интервале времени t_b средствами подсистемы контроля и управления на НКА заложена (1) или не заложена (0) обновленная эфемеридная или частотно-временная информация. ^(1); Передача обновленной эфемеридной и частотно-временной информации осуществляется только после окончания текущего интервала t_b , на котором произошла закладка ПКУ новых данных.

Слово N_T – текущая дата, календарный номер суток внутри четырехлетнего интервала, начиная с 1-го января високосного года ⁽¹⁾. Алгоритм пересчета от номера суток внутри четырехлетнего интервала к общепринятой форме даты (чч.мм.гг.) предполагает следующие действия.

1). Вычисляется номер текущего года J в четырехлетнем интервале:

если 1 ≤ N_T ≤ 366; J = 1;

если 367 ≤ N_T ≤ 731; J = 2;

если 732 ≤ N_T ≤ 1096; J = 3;

если 1097 ≤ N_T ≤ 1461; J = 4.

2).Вычисляется текущий год в общепринятой форме:

Y = 1996 + 4*(N4 –1) + (J – 1).

Слово n – номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал ⁽¹⁾ и соответствующий его рабочей точке внутри орбитальной группировки ГЛОНАСС;

Слово F_T – фактор точности измерений, характеризующий в виде эквивалентной ошибки прогнозируемую ошибку измерения псевдодальности, обусловленную набором данных (эфемеридная и частотно-временная информация), излучаемых в навигационном сообщении на момент времени t_b (см. таблицу 5)^(1);

Слово Δτ_n – смещение излучаемого навигационного радиосигнала поддиапазона L2 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L1 для n-го НКА    Δτ_n = t_f2 – t_f1,

где t_f1, t_f2 – аппаратурные задержки в соответствующих поддиапазонах, выраженные в единицах времени;

Слово М – модификация НКА, излучающего данный навигационный сигнал. Значение "00" означает НКА ГЛОНАСС, "01" – НКА ГЛОНАСС-М ⁽¹⁾;

Слово γ_n (t_b) - относительное отклонение прогнозируемого значения несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника от номинального значения на момент времени t_b

где f_n(t_b) – прогнозируемое значение несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника с учетом гравитационного и релятивистского эффектов на момент времени t_b;

f_нn - номинальное значение несущей частоты навигационного радиосигнала n-го спутника.

Слово τ_n(t_b) - сдвиг шкалы времени n-го спутника t_n относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС t_c, равный смещению по фазе ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала n-го спутника относительно системного опорного сигнала на момент времени t_b, выраженный в единицах времени

τ_n (t _b) = t_c (t_b ) - t_n (t_b );

Слово l_n - признак недостоверности кадра n-го НКА; l_n = 0 свидетельствует о пригодности спутника для навигации; l_n = 1 означает факт непригодности данного спутника для навигации.

 

Неоперативная информация навигационного сообщения, альманах

системы ГЛОНАСС

 

Неоперативная информация (альманах) включает в себя:

• данные о шкале времени системы;

• данные о шкале времени каждого спутника;

• данные об элементах орбит и техническом состоянии всех спутников системы.

 

Разрядность, единицы измерения и диапазон значений слов неоперативной информации навигационного сообщения представлены в таблице 8.

Ниже приводятся принятые буквенные обозначения параметров альманаха, и поясняется их смысловое содержание.

Слово τ_c - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно UTC(SU). Поправка τ_c дана на начало суток с номером N^A;

Слово N₄ –номер четырехлетнего периода, первый год первого четырехлетия соответствует 1996 году.⁽¹⁾

Слово τ_GPS – поправка на расхождение системных шкал времени GPS(T_GPS) и ГЛОНАСС (Т_ГЛ) в соответствии со следующим выражением:

T_GPS – T_ГЛ = ΔΤ + τ_GPS ,

где ΔΤ − целая часть, а τ_GPS - дробная часть расхождения шкал времени, выраженного в секундах. Целая часть расхождения ΔΤ определяется потребителем из навигационного сообщения системы GPS;

Слово N^A - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода, начиная с високосного года, к которым относятся поправка τ_c и данные альманаха системы (альманах орбит и альманах фаз);

Слово n^A - условный номер спутника в системе, который соответствует номеру занимаемой спутником рабочей точки;

Слово Н_n^A - номер несущей частоты навигационного радиосигнала, излучаемого спутником с номером n^A;

Слово λ_n^A - долгота в системе координат ПЗ-90 первого внутри суток с номером N^A восходящего узла орбиты спутника с номером n^A;

Слово t_λn^A - время прохождения первого внутри суток с номером N^A восходящего узла орбиты спутника с номером n ^A;

Слово Δi_n^A - поправка к среднему значению наклонения орбиты для спутника с номером n^A на момент t_λn^A (среднее значение наклонения орбиты принято равным 63°);

Слово ΔТ_n^A - поправка к среднему значению драконического периода обращения спутника с номером n^A на момент времени t_λn^A (среднее значение драконического периода обращения спутника принято равным 43200 с);

Слово Δ_n^A - скорость изменения драконического периода обращения спутника с номером n^A;

Слово ε_n^A - эксцентриситет орбиты спутника с номером n^A на момент времени t_λn^A;

Слово ω _n^A - аргумент перигея орбиты спутника с номером n^A на момент времени t_λn^A;

Слово M_n^A – признак модификации n-го НКА ⁽¹⁾; "00" - ГЛОНАСС,

"01" - ГЛОНАСС-М;

Слова В1 и В2 - коэффициенты линейного полинома для определения величины ΔUT1 расхождения всемирного UT1 (время Гринвичского меридиана с учетом движения полюса) и координированного времени UTC(SU) государственного стандарта Российской Федерации:

ΔUT1 = UT1 - UTC(SU).

Слово B1 – величина ΔUT1 на начало суток с номером N^А, измеряется в секундах.

Слово B2 – скорость изменения параметра ΔUT1, измеряется в секундах за средние солнечные сутки (с/ссс).

ΔUT1 = В1 + В2*(N_T - N^А),

Слово KP – признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTC на величину ±1 с, как показано в таблице 9⁽¹⁾.

 

Таблица 9. Значения слова KP

 

Признак KP помещается в навигационный кадр не позднее, чем за 8 недель до проведения коррекции. Однако, решение о предстоящей коррекции может быть принято раньше, чем за 8 недель. Поэтому с начала квартала до принятия решения передается признак 10 (решение ещё не принято), а после принятия решения передаётся один из 3-х вышеперечисленных признаков.

Слово τ_n^A - грубое значение сдвига шкалы времени спутника с номером n^A относительно шкалы времени системы на момент времени t_λn^A, равное смещению ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала относительно номинального положения, выраженному в единицах времени;

Слово С_n^A - обобщенный признак состояния спутника с номером n^A на момент закладки неоперативной информации (альманаха орбит и фаз). Значение признака С_n = 0 указывает на непригодность спутника для использования в сеансах навигационных определений, а значение признака С_n= 1 - на пригодность спутника.