Принцип построения и основные характеристики

 

Начиная с 1973 года в США проводятся работы по созданию новой навигационной системы GPS (Global Positioning System). Эта система известна также под названием NAVSTAR отражающем в сокращенном виде принцип действия - Navigation System using Time and Range. Система предназначена для радионавигационного обеспечения различных подвижных объектов. С вводом системы в действие станет возможным практически непрерывное определение координат и скорости движения объекта, а также точного времени в любой точке земного шара или околоземного пространства. В СНС "НАВСТАР" реализуются последние достижения в технике транзитного слежения за ИСЗ и прогнозирования эфемерид, отработанные в процессе эксплуатации системы "ТРАНЗИТ".

Предусмотрены меры по автоматической диагностике и восстановлению данных бортовых ЦВМ на случай, если разрушение информации произошло в результате воздействия импульса электромагнитного излучения, вызванного ядерным взрывом.

Система может использоваться не только для дальней радионавигации, но и для ближней, включая точное определение координат вблизи берегов, в узостях и на подходе к портам, а также в географических съемках и разведке природных ресурсов, геодезических съемках местности, для авиационной и автомобильной навигаций.

Система "Навстар" включает в себя три основные подсистемы - наземную службу, ИСЗ, аппаратуру потребителей (рис. 1).

Наземная служба выполняет функции управления системой в целом и состоит из главной станции, расположенной на территории военно-воздушной базы Ванденберг (Калифорния), четырех пунктов измерения параметров движения ИСЗ, расположенных на Аляске, на о. Гуам, на Гавайских островах и в Ванденберге, станций ввода данных на борт ИСЗ, расположенных в г. Форчуне штат Висконсия и на базе ВВС Ванденберг.

 

Контрольно-измерительный центр

Рис.1 Структурная навигационная система "Навстар"

 

Наряду со стационарными пунктами слежения и станциями ввода данных на ИСЗ предусматривается включение в состав системы в качестве резервных мобильных передвижных станций с теми же функциями. По данным измерений параметров ИСЗ, выполненных на интервале до семи суток, вырабатываются опорные эфемериды на восемнадцати дневной период. Опорные эфемериды используются при обработке траекторных измерений, проводимых в реальном масштабе времени. Для выработки прогнозируемых эфемерид используются поправки первого рода, при вычислении которых учитываются эффекты распространения радиоволн в ионосфере, общие и специальные релятивистские эффекты, вращение Земли, уход шкалы времени системы. Правильность закладки информации контролируется при ретрансляции данных со спутника. В случае обнаружения ошибок в навигационном сообщении производиться повторный ввод данных в аппаратуру ИСЗ. Передача данных на ИСЗ производиться один раз в сутки, диапазон частот канала передачи - 1750 или 1850 МГц.

В состав сообщения, передаваемого со станции ввода, входят прогнозируемые эфемериды ИСЗ, поправки шкалы времени ИСЗ, коэффициенты, учитывающие особенности распространения радиоволн в ионосфере, а также данные альманаха, характеризующего признак функционирования и положения всех ИСЗ системы в пространстве на фиксированные моменты времени. При необходимости в составе сообщения передаются также команды на проведение контроля аппаратуры.

Работа системы обеспечивается по собственной шкале времени, несколько отличающейся от UTC. Опорное время формируется тремя цезиевыми стандартами частоты, установленными на главной станции управления в Ванденберге. Отличие времени системы НАВСТАР от времени UTC вызвано тем, что обсервация ВМС США, специальный хранитель времени в США, практикует ввод дополнительного "секундного скачка" в группу своих атомных эталонов для учета действительного вращения Земли, которое, как известно, замедляет во времени. Коррекция эталонов времени системы, даже если она производиться редко, например один раз в год, могла бы в момент ввода "секундного скачка" вызвать ошибку в определения координат потребителей системы. Для потребителей точного времени приведение к шкале UTC осуществляется путем использования таблиц поправок, составляемых и распространяемых обсерваторией ВМФ США. В аппаратуре потребителей навигационной информации всемирное координированное время рассчитывается на основе системного времени с учетом коэффициентов и поправок, передаваемых в составе кадра данных с ИСЗ.

 

Навигационные спутники

 

В системе используется 24 рабочих ИСЗ на круговых орбитах. Рабочие ИСЗ рассредоточены в шести орбитальных плоскостях, разнесенных по долготе на 60 градусов, в каждой из шести орбитальных плоскостей находиться по четыре ИСЗ, равномерно разнесенных один относительно другого. Наклонение плоскости орбиты относительно экватора составляет 55 градусов. Конфигурация орбит спутников системы приведены на рис.2. Период обращения ИСЗ - около 12 часов, величина большой полуоси - 26560 км., значение эксцентриситета - менее 0,05.

Геометрия системы выбрана из условий обеспечения одновременной радио-видимости в любой точке земного шара и практически в любое время суток минимум четырех ИСЗ. В наиболее благоприятных ситуациях одновременно в поле радио-видимости потребителя может находиться до восьми ИСЗ. Это позволяет производить одновременные измерения навигационных параметров относительно пяти ИСЗ, а также обеспечить практически непрерывный режим определения координат объекта и составляющих скорости. Избыточное количество ИСЗ в зоне радио-видимости объекта позволяет выбрать для данных условий именно те спутники, которые обеспечивают более высокие точности определения координат.

На рис. 3 показаны трассы ИСЗ системы "НАВСТАР" для случая, когда резервные спутники размещены в нечетных орбитальных плоскостях. За начало отсчета времени принят момент нахождения первого спутника в точке восходящего узла. При выбранных параметров орбит ИСЗ обеспечивается ежесуточное повторение траекторий спутника на поверхности Земли. Каждый спутник проходит над одними и теми же точками земной поверхности через 23 часа 55 минут 56,6 секунд, т. е. через звездные сутки. При выбранной конфигурации орбит удается ограничить размещение станций измерения параметров ИСЗ в пределах территории США, а работа со стационарными пунктами позволяет свести к минимуму ошибки траекторных измерений. В системе "НАВСТАР" предъявляются жесткие требования к стабильности и точности синхронизации бортовых шкал времени всех ИСЗ относительно шкалы системы. Ошибка во времени в 1 не вызывает ошибку в определении дальности на трассе объект - ИСЗ около 0,3 метра, или в координатах объекта - около 1 метра. Высокая стабильность временим точность синхронизации достигается использованием на ИСЗ атомных стандартов частоты, проектируемы с наземного управления.

 

Рис.2 Орбиты СНС "НАВСТАР"

Рис.3 Взаимное расположение спутников системы "НАВСТАР" в момент нахождения первого спутника в восходящем узле.

Все спутники системы работают на одних и тех же частотах и передают навигационные сигналы одинаковой структуры, позволяющие в аппаратуре потребителя измерять псевдодальность системы объект - ИСЗ. Кроме того, определяется дельта-дальность - параметр пропорциональный доплеровскому сдвигу сигнала ИСЗ.

Навигационные спутники снабжены корректирующими двигателями, что обеспечивает возможность изменения параметров орбиты. Масса навигационных спутников составляет 900 кг, расчетный срок службы 10 лет.

Рабочие частоты.

 

Все спутники измеряют когерентные сигналы на двух частотах: L₁ = 1575,42 МГц, и L₂ =1227,6 МГц, сформированные из сигналов частотой 10,23 МГц атомного эталона частоты находящегося на борту каждого спутника. Сигнал L₁ модулируется двумя псевдослучайными кодами, сдвинутыми по фазе на 90° и по традиции называемыми точным (Р) и грубым (С/А), кодами. Сигнал L₂ при нормальной работе системы модулируется только Р - кодом, однако в специальных случаях и при испытаниях модуляция Р - кода может заменяться модуляцией С/А - кодом. Оба сигнала L₁ и L₂ кроме тогог непрерывно модулируются навигационными данными передаваемые скоростью 50 бит/с. Использование двух частот позволяет практически исключить ошибки, в вызванные ионосферными эффектами.

           Р код (Protected - защищенный) - шифрованный код предназначеный только для военных целей. Этот код недавно переименованный в PPS (Сигналы точного определения положения).

С/А код (Clear acquisition - легко обнаруживаемый), переименованный в код SPS, применяется для определения местоположения. Все коммерческие и потребительские GPS - приемники работают с кодами SPS.

С/А - кодами служат индивидуально установленные для каждого спутника коды Гольда. С/А код миллисекундный период в отличии от 267 - дневного периода Р - кода, при его формировании используется тактовая частота 1,023 МГц (вместо 10,23 МГц для Р кода), благодаря чему прием С/А кодов не вызывает больших трудностей даже при отсутствии предварительной информации о едином времени и своем положении. Кроме того, с помощью С/А кода каждые 6 секунд передается ключевое слова HOW, указывающее точную фазу Р - кода передаваемого спутником. На основе этой информации осуществляется сдвиг по фазе генератора Р кода в оборудовании пользователя, обеспечивающем в дальнейшем его синхронизацию с принимаемым Р - кодом.