Спутниковая навигационная система GPS

Спутниковая навигационная система GPS представляет собой глобальную спутниковую навигационную систему постоянного действия США. Система дает возможность представления информации о геодезическом местоположении и скорости в трех измерениях, с высокой точностью по времени.

Рис.5.9 Наземный комплекс управления и контроля СРНС ГЛОНАСС

Спутники находятся на круговых орбитах, имеющих угол наклона 55 градусов по отношению к экватору; период обращения спутников равняется 12 ч; общее количество спутников для эксплутационной конфигурации "Блок 2" составляет 21 плюс 3 рабочих запасных спутника в шести орбитальных плоскостях.

Пользователь GPS определяет свое местоположение путем обработки данных измерения расстояний до четырех спутников. Расстояние до спутника определяется посредством точного измерения времени прохождения сигналов, передаваемых спутником. В связи с тем, что часы пользователя не синхронизированы с часами спутника, в измерениях расстояний (псевдодальность) присутствует погрешность. За счет измерения псевдодальности до четырех спутников и вычисления местоположения спутников с использованием данных эфемерид, передаваемых спутниками, оборудование пользователя определяет местоположение в трех измерениях и время. Скорость пользователя определяется аналогичным образом за счет измерения скорости изменения расстояния до четырех спутников.

Спутниковые сигналы состоят из двух несущих частот 1 575,42 МГц (L1) и 1 227,6 МГц (L2), модулированных двумя кодами псевдопроизвольных шумов, точным кодом (код Р) и неточным кодом выделения сигнала (код С/А), а также из навигационного сообщения, передаваемого со скоростью 50 бит/с и содержащего такие данные, как эфемериды спутников, данные о коррекции распространения сигналов, информацию о смещении по времени и о состоянии системы. Сообщения, содержащие спутниковые данные, периодически обновляются главной станцией управления на основе информации, получаемой от пяти разбросанных по земному шару станций слежения. Сигнал кода Р передается на несущих частотах L1 и L2, а код С/А передается только на несущей частоте L1.

GPS будет обеспечивать стандартное обслуживание по определению местоположения (Spot Beam Series - SPS) и обслуживание по точному определению местоположения (Precision Beam Series - PPS). Обслуживание SPS будет представляться любому пользователю с помощью открытых текстов, не требуя каких-либо шифрованных методов, и будет полностью доступно гражданским, коммерческим и другим пользователем на международной основе. Уровень точности для SPS будет составлять 100 м в горизонтальной плоскости и 157 м в вертикальной плоскости; точность синхронизации относительно всемирного координированного времени UTC находится в пределах 385 нс (при вероятности 95%). PPS представляет собой обслуживание по определению местоположения /навигационное обслуживание в военных целях, которое за счет использования шифровальных методов обеспечивает большую точность, чем у SPS.

Основные характеристики системы GPS приведены в табл.5.3.

Сегмент управления состоит из сети наземных станций слежения, расположенных по всему миру. Сеть включает главную (ведущую) станцию (ГС), контрольные станции (КС) или станции слежения (СС) и земные станции ввода данных на НКА (три). Главная станция контроля и управления находится на авиабазе Фалкон (Шривер) ВВС США в районе г. Колорадо-Спрингс, штат Колорадо.

КС размещены на атолле Диего-Гарсиа (архипелаг Чагос в Индийском океане), на о. Вознесения (в Атлантическом океане), на Гавайях и атолле Кваджалейн (в Тихом океане); одна КС совмещена с ГС. Как видно, КС расположены сравнительно равномерно по Земному шару вблизи экватора, что создает благоприятные условия для наблюдений НКА. Эти станции принимают сигналы спутников GPS и осуществляют специальные прецизионные измерения дальности до НКА. Главная станция осуществляет сбор измерений от всех КС и их обработку.

 

Таблица 5.3. Технические характеристики СРНС GLONASS и GPS

Показатель	ГЛОНАСС	GPS
Число НИСЗ в полной системе
Число орбитальных плоскостей
Число НИСЗ в каждой плоскости
Наклонение орбиты, градусы	64,8
Высота орбиты, км		20 180
Период обращения НИСЗ	11 ч 15 мин 44 с	11 ч 58 мин 00 с
Система координат	ПЗ-90	WGS-84
Масса НИСЗ, кг
Мощность солнечных батарей, Вт
Срок активного существования, лет		7,5
Средства вывода на орбиту	Протон-К/ДМ	Delta 2
Число НИСЗ, выводимых за один запуск
Космодром	Байконур	Мыс Канаверал
Эталонное время	UTC (SU)	UTC (NO)
Метод доступа	FDMA	CDMA
Несущая частота:
L1, МГц	1598,0625—1604,25	1575,42
L2, МГц	7/9 L1	60/77 L1
Поляризация излучения	Правосторонняя	Правосторонняя
Структура навигационного сообщения
Скорость передачи, бит/с
Вид модуляции	BPSK (Манчестер)	BPSK NRZ
Длина суперкадра, мин	2,5 (5 кадров)	12,5 (25 кадров)
Длина кадра, с	30 (15 строк)	30 (5 строк)
Длина строки, с
Выходные данные и точность системы
	стандартный	PPS	SPS
По плоскостным координатам	100 м (95%)	18 м (95%)	100 м (95%)
По высоте	150 м (95%)	28 м (95%)	157 м (95%)
По составляющим вектора скорости	15 см/с (95%)	20 см/с по оси (95%)	(не определяется)
По времени	1 мкс	180 нс (95%)	385 нс (95%)
Целостность	Данные о неисправности спутника передаются пользователю в составе навигационного сообщения с каждого спутника сразу после появления неисправности.	Время реакции при обнаружения погрешности спутников и в системах управления составляет менее 90 мин (некоторые спутники могут находиться вне видимости станции контроля до 2 ч).

По результатам обработки осуществляются точные расчеты параметров орбит, ионосферной модели и корректирующих поправок для бортовых часов, которые с главной станции через земные станции связи (атолл Диего-Гарсиа, о. Вознесения, атолл Кваджалейн) совместно с данными обработки метеорологической информации, позволяющей уточнить параметры модели тропосферы, передаются на борт каждого НКА.

Рис.5.10 Наземный комплекс СРНС GPS NAVSTAR