Розділ 7. Глобальні супутникові системи

Структура систем і режими роботи

 

Як GPS (Global Positioning System), так і ГЛОНАСС (Гло бальна На вігаційна С упутникова С истема) складається, як вже згадувалося в попередніх розділах, з трьох секторів (в зарубіжній літературі їх іменують сегментами, а у вітчизняній часто називають підсистемами). Ці сектори показані на рис.7.1.

 

Рис.7.1. Загальна структура глобальних супутникових систем

Космічний сектор - це сукупність супутників, що входять в систему, яку часто називають "сузір'ям" або "орбітальним угрупуванням". На кожному супутнику встановлені атомні еталони частоти і апаратура, що передає необхідні для вимірювань радіосигнали, до складу яких входить так зване навігаційне повідомлення, що містить відомості про положення супутників, мітки часу, різні поправки і іншу необхідну інформацію. Окрім передаючої апаратури, супутник містить і радіоприймальний пристрій для прийому команд і сигналів від наземного комплексу управління і контролю. Кожний супутник забезпечений панелями сонячних батарей живлення, руховою установкою для корекції траєкторії руху супутника за командами із Землі і системами орієнтації і стабілізації.

Як в GPS, так і в ГЛОНАСС повне сузір'я складається з 24 супутників. В GPS вони розташовані в шести орбітальних площинах, розгорнених через 60°, а в ГЛОНАСС - в трьох площинах через 120°. Орбіти супутників вельми близькі до кругових.

В таблиці 7.1 вказані деякі основні параметри орбітальних угрупувань для обох систем.

 

Таблиця 7.1

Параметр	GPS	ГЛОНАСС
Число супутників в системі Число орбітальних площин Нахил орбіти до площини екватора Середня висота орбіт Період оберту супутників	55°   20145 км 11 г 58 хв.	64,8°   19100 км 11 г 16 хв.

Сектор управління і контролю. Включає станції стеження, службу точного часу, головну станцію з обчислювальним центром і станції завантаження інформації на супутники. В GPS п'ять станцій стеження розподілені рівномірно по земній кулі; одна з них суміщена з центральною управляючою станцією в Колорадо-Спрінгс (США). Отримана на цих станціях інформація про елементи орбіт і прогнозовані координати супутників передається за допомогою трьох завантажуючих станцій на супутники. Існує також та, що не входить в систему управління і контролю, але більш глобальна і точна мережа слідкуючих станцій - Об'єднана міжнародна мережа GPS під назвою CIGNET (Cooperative International GPS Network), що знаходиться у віданні Національної геодезичної служби (NGS) США. Створена також Міжнародна мережа служби GPS для геодинаміки (мережа IGS).

В ГЛОНАСС мережа станцій стеження розташована на території Росії. Станції обладнані радіолокаторами і лазерними віддалемірами, а супутники - відбивачами. Під Москвою розташований Центр управління системою (ЦУС), який включає центральний синхронізатор (ЦС) з водневим стандартом частоти.

Сектор користувача включає супутникові приймачі, число яких і модифікації не обмежені, а також камеральний комплекс обробки вимірювань (“постобробки”, виконуваної після польових спостережень).

Режими роботи систем. Глобальні супутникові системи можуть працювати в двох основних режимах, що отримали назву кодових вимірювань і фазових вимірювань. При кодових вимірюваннях виконується вимірювання часу розповсюдження кодово-модульованого сигналу від супутника до приймача, а при фазових - вимірювання зміщення фази коливання несучої частоти за час розповсюдження. Слід зазначити, що для цих режимів часто використовують інші назви, що характеризують їх, так би мовити, з другого боку. Режим кодових вимірювань називають навігаційним, а також абсолютними визначеннями, а режим фазових вимірювань - геодезичним, а також відносними визначеннями. Така термінологія використовується тому що кодові вимірювання дають меншу точність, прийнятну при рішенні задач навігації, і при цьому забезпечують безпосереднє отримання самих координат (абсолютних величин). Фазові ж вимірювання дають високу точність, придатну для геодезичної мети, але при цьому дозволяють отримати не самі координати, а різниці однойменних координат двох (або більш) точок, в яких встановлені одночасно працюючі приймачі.

Іноді в окремий (третій) режим виділяють так званий інтегральний допплерівський рахунок, який здійснюється, по суті справи, одночасно з режимом фазових вимірювань. Він дозволяє одержувати швидкість зміни відстані до супутника і фіксувати моменти послідовних положень супутника.

Всі три вказані режими буде розглянуто далі.

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ:

 

1. Дайте коротке визначення поняттям: сузір’я супутників, наземні станції контролю, супутникові приймачі?

2. В чому заключається основна функція станцій стеження?

3. Вкажіть число орбітальних площин і число супутників кожної площини в GPS?

4. Що представляє собою режим кодових вимірів?

5. Що представляє собою режим фазових вимірів?

6. Які виміри більш точні?

7. На скількох частотах випромінюється коливання кожним супутником?

8. Який вид модуляції несучих коливань використовується в супутниковому сигналі?

9. Що таке фазова маніпуляція?

10. В які моменти відбувається фазова маніпуляція?

11. Що модулюється грубим та точним кодом?

 

Супутниковий сигнал

 

Сигнал, що передається з супутника є випромінюваними в простір електромагнітними коливаннями на двох несучих частотах, означають L1 і L2, підданих особливому виду фазової модуляції - фазової маніпуляції. Остання полягає в перекиданні фази несучої на 180^о в певні моменти. Ці моменти задаються так званими віддалемірними кодами - певними послідовностями нулів і одиниць. Перекидання фази відбувається в моменти зміни в кодах 0 на 1 або 1 на 0 (рис.7.2).

Таких кодів використовується два: один для "грубих", інший для "точних вимірювань", і вони істотно розрізняються, про що буде докладніше сказаний нижче. Грубим кодом модулюється несуча L1, а точним кодом - обидві несучих L1 і L2. В GPS грубий код називається С/А -кодом (від слів Coarse Aquisition - що легко знаходиться, загальнодоступний), а точний – Р -кодом (Precision - точний). С/А -код призначений для всіх користувачів. Р -код спочатку призначався тільки для тих, що мають санкціонований доступ (в основному для американських військових). Зараз доступ до Р -коду мають приймачі практично всіх користувачів. В системі ГЛОНАСС аналогічна ситуація, різниця тільки в назвах: грубий код називається СТ -кодом (кодом стандартної точності), а точний код - ВТ -кодом (кодом високої точності). Проте між GPS і ГЛОНАСС є принципова відмінність, що відноситься до використання кодів. В GPS як С/А -код, так і Р -код різні для кожного супутника при подібності несучих частот L1 і L2 для всіх супутників системи. В ГЛОНАСС же, навпаки, коди СТ і ВТ всіх супутників однакові, але різні несучі частоти. Іншими словами, в GPS застосоване кодове, а в ГЛОНАСС - частотне розділення сигналів від кожного супутника.

Застосування кодів вирішує задачу вимірювання відстаней (псевдодальностей) часовим методом з використанням кореляційної обробки сигналу. Як це робиться, буде розглянутий в наступному розділі. Але супутниковий сигнал піддається не тільки кодовій модуляції, необхідній для вимірювання відстаней. В нього "вбудовується" вся інформація з супутника, що передається - мітки часу, дані про ефемериди супутника, різні поправочні величини, альманах (збірка менш точних даних про місцезнаходження кожного з супутників системи та стан його “здоров'я”) і ін. Вся ця інформація, створює навігаційне повідомлення, також перетвориться в двійковий код (послідовність нулів і одиниць), яким додатково модулюються обидві несучі частоти. Модуляція здійснюється так само, як і віддалемірними кодами - перекиданням фази несучого коливання на 180° в моменти зміни символів (нулів і одиниць). Частота проходження символів навігаційного повідомлення складає 50 Гц(або, як то кажуть, інформація передаться із швидкістю 50 біт/с, оскільки один символ - 0 або 1 - містить один біт інформації).

Таким чином, сигнал кожного супутника в обох розглянутих глобальних системах складається з двох несучих коливань різних частот, маніпульованих за фазою як далекомірними кодами, так і навігаційним повідомленням. Подальший розгляд цього питання буде орієнтований в основному на систему GPS як на ту, що отримала більш широке застосування у користувачів.

 

Рис.7.2. Фазова маніпуляція під дією кодового сигналу

На супутниках GPS високостабільний опорний кварцовий генератор, стабілізований за допомогою атомних еталонів частоти, генерує коливання з частотою 10,23 Мгц, з яких відповідним множенням або діленням синтезується вся решта частот – несучі, частоти проходження символів С/А- і Р - кодів і символів навігаційного повідомлення. Номінали всіх частот і спосіб їх отримання вказані в таблиці 7.2.

Таблиця 7.2

Елементи сигналу	Частота	Спосіб отримання
Несуча L1 Несуча L2 С/А-код Р-код Навігаційне повідомлення	1575,42 Мгц 1227,60 Мгц 1,023 Мгц 10,23 Мгц 50 Гц	10,23 Мгц ´ 154 10,23 Мгц ´ 120 10,23 Мгц: 10 10,23 Мгц без змін. 10,23 Мгц: 204600

Віддалемірні коди. Віддалемірним кодом називають послідовність сигналів, що можуть знаходитися в двох різних станах, яким умовно приписують значення (символи) 0 і 1. Ці стани примусово чергують таким чином, що в їх зміні неможливо помітити якої-небудь закономірності, тобто чергування виглядає випадковим, але через певні інтервали часу воно періодично повторюється з точністю до кожного символу. Подібні послідовності називаються псевдовипадковими і утворюють псевдовипадкові коди. На супутнику і в приймачі генеруються абсолютно однакові коди, які виявляються зміщеними за часом. Період повторення псевдовипадкових послідовностей (тривалість коду) істотно розрізняється для “грубого і “точного” кодів”. Так, в GPS C/A -код повторюється кожну мілісекунду, а тривалість Р -кода складає 266,4 діб. Коротка тривалість C/А -кода дозволяє легко захопити сигнал супутника на частоті L1.

Набагато важче здійснити захоплення супутникового сигналу на несучій L2, яка модульована тільки Р-кодом. Його надзвичайно велика тривалість вибрана розробниками спеціально з метою утрудняти доступ до нього для несанкціонованих користувачів. Загальна тривалість Р -кода розбита на тижневі відрізки, розподілені по всіх супутниках системи, тобто Р -код кожного супутника міняється через тиждень. Розробниками GPS було передбачено введення режиму виборчого доступу (SA - Selective Availability), при якому з метою зниження точності вимірювань навмисно вносяться спотворення в віддалемірний код і загрубляється ефемеридна інформація в навігаційному повідомленні (в даний час, проте, режим SA відмінений).

Для створення ще більшої захищеності Р -коду вводиться режим додаткового шифрування - так зване Y -кодування (режим AS - Anti-Spoofing, що буквально переводиться як “протидія спробі обману”). Y -код математично може бути описаний множенням Р -коду на нелінійну функцію W(t), невідому несанкціонованим користувачам. Фактично Y -кодування - це обмін тижневими відрізками Р -коду в послідовності, відомій тільки персоналу системи. Правда, в даний час фірми-виробники приймальної апаратури добилися на комерційній основі дозволу вводити в комп'ютер приймача відповідну мікросхему, що реалізовує алгоритм відшукання функції W(t).

Навігаційне повідомлення містить 1500 біт і займає 30 секунд. Воно розділено на 5 субкадрів по 300 біт, кожний з яких передається протягом 6 секунд. Субкадр складається з 10 слів по 30 біт.

Кожний субкадр починається з телеметричного слова TLM (Telemetry Word), що містить діагностичне повідомлення про стан супутника. Другим словом кожного субкадру є так зване ключове слово, позначається HOW (Hand-over Word, буквально - “слово, що передається з рук в руки”). Це слово містить мітку часу (так званий Z -відлік), записану у вигляді 29-розрядного числа в двійковому коді.

Решта інформації розподіляється по субкадрах таким чином:

Субкадр 1 містить дані про поправку годинника супутника щодо системного часу GPST і коефіцієнти, закладені в модель затримки радіосигналу при проходженні його через іоносферу. Інформація про іоносферу призначена тільки для абонентів, що використовують одночастотні приймачі (приймаючі тільки частоту L1). За наявності двочастотного приймача вплив іоносфери практично виключається так званим дисперсійним способом

Субкадри 2 і 3 містять ефемериди транслюючого супутника, отримані за даними наземних станцій стеження. Вони корегуються кожну годину, але залишаються в силі протягом ще деякого додаткового інтервалу часу (принаймні протягом півгодини) і дозволяють обчислити поточні координати супутника на момент вимірювання псевдодальності. Ефемериди включають елементи кеплерової орбіти (див. курс астрономії або космічної геодезії) на опорний момент і поправки до них, які дозволяють прогнозувати елементи орбіти усередині періоду дії ефемерид.

Субкадр 4 зарезервований для передачі інформації службового характеру і приймачі цивільних користувачів позбавлені можливості її отримання.

Субкадр 5 містить альманах супутників і дані про їх працездатність. Альманах - це приблизні ефемериди всіх супутників системи. Альманах використовується для планування вимірювань.

Інформація, що закладається в субкадри 4 і 5, не поміщається в одному навігаційному повідомленні, і ці субкадри розділені на 25 сторінок. В кожному повідомленні передається одна з цих сторінок, так що на передачу всієї інформації 4-го і 5-го субкадрів затрачується 30 с´ 25 = 750 с = 12,5 хв.

 

 

ЗАПИТАННЯ ДЛЯ САМОКОНТРОЛЮ:

 

1. Що, окрім віддалемірних кодів і несучих частот, входить в супутниковий сигнал?

2. Що модулюється навігаційним повідомленням?

3. Що представляють собою віддалемірні коди?

4. В якому субкадрі передається мітка часу?

5. Скільки часу витрачається на передачу альманаху?