Данная статья является продолжением группы статей о сигналах спутниковой навигации. В ней будет более подробно рассказано о структуре навигационного сообщения на примере российской спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС.

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

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. 1. приведена структура суперкадра с указанием номеров кадров в суперкадре и номеров строк в кадрах.

Рисунок 1. Структура суперкадра.

Навигационный кадр является частью суперкадра. 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. 2 показана структура кадра в суперкадре.

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 НКА, 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 НКА системы: по пяти НКА в кадрах с первого по четвертый и по четырем НКА в пятом кадре. Неоперативная информация (альманах) для одного НКА 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 1.

Табица 1. Распределения альманаха по кадрам.

Информационная строка является структурным элементом навигационного кадра. Структура информационной строки показана на рис. 4. 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. 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".

Рисунок 4. Структура информационной строки

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

Слово m - номер строки в навигационном кадре;

Слово tК - 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 НКА совпадает с началом очередного

суперкадра;

Слово Вn – признак недостоверности кадра n-го НКА. Навигационной

аппаратурой потребителя анализируется только старший разряд этого слова, "1"

в котором обозначает факт непригодности данного НКА для проведения сеансов

измерений. Второй и третий разряды этого слова аппаратурой потребителя не

анализируются;

Слово tb – 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 tb определяются значением слова P1;

Слово P – признак режима работы НКА по ЧВИ .Значения признака следующие:

00 – ретрансляция параметра τс, ретрансляция параметра τGPS;

01 - ретрансляция параметра τс, размножение параметра τGPS на борту НКА;

10 - размножение параметра τс на борту НКА, ретрансляция параметра τGPS;

11 - размножение параметра τс на борту НКА, размножение параметра τGPS на борту НКА.

Слово Р1 - признак смены оперативной информации; признак сообщает

величину интервала времени между значениями tb (мин) в данном и предыдущем

кадрах.

Слово Р2 - признак нечетности ("1") или четности ("0") числового

значения слова tb (для интервалов 30 или 60 минут);

Слово Р3 - признак, состояние "1" которого означает, что в данном кадре

передается альманах для 5-ти НКА системы, а состояние "0" означает, что в

данном кадре передается альманах для 4-х НКА;

Слово Р4 – признак того, что на текущем интервале времени tb средствами

ПКУ на НКА заложена (1) или не заложена (0) обновленная эфемеридная или

частотно-временная информация. (1);

Примечание. Передача обновленной эфемеридной и частотно-временной

информации осуществляется только после окончания текущего интервала tb , на

котором произошла закладка ПКУ новых данных.

Слово NT – 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.) приведен в разделе П 3.1.3;

Слово n – номер НКА, излучающего данный навигационный сигнал (1) и

соответствующий его рабочей точке внутри орбитальной группировки

ГЛОНАСС;

Слово FT – 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 tb

(1);

Слово Δτn – смещение излучаемого навигационного радиосигнала

поддиапазона L2 относительно навигационного радиосигнала поддиапазона L1

для n-го НКА.

Δτn = tf2 – tf1,

где tf1, tf2 – 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 γn (tb) - относительное отклонение прогнозируемого значения

несущей частоты излучаемого навигационного радиосигнала n-го НКА от

номинального значения на момент времени tb

Слово τn(tb) - сдвиг шкалы времени n-го НКА tn относительно шкалы

времени системы ГЛОНАСС tc, равный смещению по фазе ПСПД излучаемого

навигационного радиосигнала n-го НКА относительно системного опорного

сигнала на момент времени tb, выраженный в единицах времени

τn (t b) = tc (tb ) - tn (tb );

Слово ln - признак недостоверности кадра n-го НКА; ln = 0 свидетельствует

о пригодности НКА для навигации; ln = 1 означает факт непригодности данного

НКА для навигации.

Слова xn (tb ), yn (tb ), zn (tb ) - координаты n-го НКА в системе координат

ПЗ-90.02 на момент времени t b;

Слова xn (tb ), yn (tb ), zn (tb ) - составляющие вектора скорости n-го НКА в

системе координат ПЗ-90.02 на момент времени tb;

Слова xn (tb ), yn (tb ), zn (tb ) - составляющие ускорения n-го НКА в системе

координат ПЗ-90.02 на момент времени tb, обусловленные действием Луны и

Солнца;

Слово En - характеризует "возраст" оперативной информации, то есть

интервал времени, прошедший от момента расчета (закладки) оперативной

информации до момента времени tb для n-го НКА. Слово En формируется на

борту НКА.

Неоперативная информация (альманах) включает в себя:

• данные о шкале времени системы;

• данные о шкале времени каждого НКА;

• данные об элементах орбит и техническом состоянии всех НКА

системы.

Ниже приводятся принятые буквенные обозначения параметров

альманаха, и поясняется их смысловое содержание.

Слово τc - поправка к шкале времени системы ГЛОНАСС относительно

UTC(SU). Поправка τc дана на начало суток с номером NA ;

τc = TUTC(SU) + 03 час 00 мин - TГЛ

Слово N4 –номер четырехлетнего периода, первый год первого

четырехлетия соответствует 1996 году.

Слово τGPS – поправка на расхождение системных шкал времени GPS(TGPS)

и ГЛОНАСС (ТГЛ) в соответствии со следующим выражением:

TGPS – TГЛ = ΔΤ + τGPS ,

где ΔΤ − целая часть, а τGPS - дробная часть расхождения шкал времени,

выраженного в секундах.

Слово NA - календарный номер суток внутри четырехлетнего периода,

начиная с високосного года, к которым относятся поправка τc и данные

альманаха системы (альманах орбит и альманах фаз);

Слово nA - условный номер НКА в системе, который соответствует номеру

занимаемой НКА рабочей точки;

НnA - номер несущей частоты навигационного радиосигнала, излучаемого

НКА с номером nA;

Слово λnA - долгота в системе координат ПЗ-90.02 первого внутри суток с

номером NA восходящего узла орбиты НКА с номером nA;

Слово tλnA - время прохождения первого внутри суток с номером NA

восходящего узла орбиты НКА с номером n A;

Слово ΔinA - поправка к среднему значению наклонения орбиты для НКА с

номером nA на момент tλnA (среднее значение наклонения орбиты принято

равным 63°);

Слово ΔТnA - поправка к среднему значению драконического периода

обращения НКА с номером nA на момент времени tλnA (среднее значение

драконического периода обращения НКА принято равным 43200 с);

Слово ΔТnA - скорость изменения драконического периода обращения

НКА с номером nA;

Слово εnA - эксцентриситет орбиты НКА с номером nA на момент времени

tλnA;

Слово ω nA - аргумент перигея орбиты НКА с номером nA на момент

времени tλnA;

Слово MnA – 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 начального 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 NА, измеряется в

секундах. (1)

Слово B2 – скорость изменения параметра ΔUT1, измеряется в секундах за

средние солнечные сутки (с/ссс). (1)

ΔUT1 = В1 + В2*(NT - NА),

Слово KP – признак ожидаемой секундной коррекции шкалы UTC на

величину ±1 с

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 τnA - грубое значение сдвига шкалы времени НКА с номером nA

относительно шкалы времени системы на момент времени tλnA, равное

смещению ПСПД излучаемого навигационного радиосигнала относительно

номинального положения, выраженному в единицах времени;

Слово СnA - обобщенный признак состояния НКА с номером nA на момент

закладки неоперативной информации (альманаха орбит и фаз). Значение

признака Сn = 0 указывает на непригодность НКА для использования в сеансах

навигационных определений, а значение признака Сn = 1 - на пригодность НКА.

Точность передаваемых в составе альманаха параметров такова, что

позволяет потребителю производить определение дальности и радиальной

скорости НКА со среднеквадратическими значениями погрешностей,

зависящими от времени, прошедшего с момента передачи альманаха ("возраста"

данных)

Список используемой литературы:

1. Википедия

2. ГЛОНАСС.Интерфейсный контролный документ. Навигационный радиосигнал в диапазонах L1, L2 с открытым доступом и частотным разделением (редакция 5.1). Москва 2008г.