Раздел 7. Глобальные спутниковые системы

Структура систем и режимы работы

 

Как GPS (Global Positioning System), так и ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) составляется, как уже упоминалось в предыдущих разделах, с трех секторов (в зарубежной литературе их именуют сегментами, а в отечественной часто называют подсистемами). Эти сектора показаны на рис.7.1.

 

Рис.7.1. Общая структура глобальных спутниковых систем

Космический сектор - это совокупность спутников, которые входят в систему, которую часто называют "созвездиям" или "орбитальной группировкам". На каждом спутнику установленные атомные эталоны частоты и аппаратура, которая передает необходимые для измерений радиосигналы, в состав которых входит так называемое навигационное сообщение, которое содержит сведения о положении спутников, мотки времени, разные поправки и другую необходимую информацию. Кроме передаючої аппаратуры, спутник содержит и радиоприемное устройство для приема команд и сигналов от наземного комплекса управления и контроля. Каждый спутник обеспечен панелями солнечных батарей питания, двигательной установкой для коррекции траектории движения спутника за командами из Земли и системами ориентации и стабилизации.

Как в GPS, так и в ГЛОНАСС полное созвездие составляется с 24 спутников. В GPS они расположены в шести орбитальных плоскостях, развернутых через 60°, а в ГЛОНАСС - в трех плоскостях через 120°. Орбиты спутников весьма близкие к круговым.

В таблице 7.1 указанные некоторые основные параметры орбитальных группировок для обеих систем.

 

Таблица 7.1

Параметр	GPS	ГЛОНАСС
Число спутников в системе Число орбитальных плоскостей Наклон орбиты к плоскости экватора Средняя высота орбит Период оборота спутников	55(   20145 км 11 г 58 мин.	64,8(   19100 км 11 г 16 мин.

Сектор управления и контроля. Включает станции слежения, службу точного времени, главную станцию с вычислительным центром и станции загрузки информации на спутники. В GPS пять станций слежения распределенные равномерно по земному шару; одна из них совмещенная с центральной управляющей станцией в Колорадо-Спрінгс (США). Полученная на этих станциях информация об элементах орбит и прогнозируемые координаты спутников передается с помощью трех завантажуючих станций на спутники. Существует также и, что не входит в систему управления и контроля, но более глобальная и точная сеть слідкуючих станций - Объединенная международная сеть GPS под названием CIGNET (Cooperative International GPS Network), что находится в ведении Национальной геодезической службы (NGS) США. Созданная также Международная сеть службы GPS для геодинамики (сеть IGS).

В ГЛОНАСС сеть станций слежения расположена на территории России. Станции оборудованы радиолокаторами и лазерными віддалемірами, а спутники - отражателями. Под Москвой расположенный Центр управления системой (ЦУС), который включает центральный синхронизатор (ЦС) с водородным стандартом частоты.

Сектор пользователя включает спутниковые приемники, число которых и модификации не ограниченные, а также камеральный комплекс обработки измерений (“постобробки”, выполняемой после полевых наблюдений).

Режимы работы систем. Глобальные спутниковые системы могут работать в двух основных режимах, которые получили название кодовых измерений и фазовых измерений. При кодовых измерениях выполняется измерения времени распространения кодово-модулированного сигнала от спутника до приемника, а при фазовых - измерение смещения фазы колебания несущей частоты за время распространения. Следует отметить, что для этих режимов часто используют другие названия, которые характеризуют их, так сказать, с другой стороны. Режим кодовых измерений называют навигационным, а также абсолютными определениями, а режим фазовых измерений - геодезическим, а также относительными определениями. Такая терминология используется потому что кодовые измерения дают меньшую точность, приемлемую при решении задач навигации, и при этом обеспечивают непосредственное получение самых координат (абсолютных величин). Фазовые же измерения дают высокую точность, пригодную для геодезической цели, но при этом позволяют получить не самые координаты, а различия одноименных координат двух (или более) точек, в которых установленные одновременно работающие приемники.

Иногда в отдельный (третий) режим выделяют так называемый интегральный допплерівський счет, который осуществляется, по сути дела, одновременно с режимом фазовых измерений. Он позволяет получать скорость изменения расстояния к спутнику и фиксировать моменты последовательных положений спутника.

Все три указанных режимы будет рассмотрено дальше.

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

 

1. Дайте короткое определение понятием: созвездие спутников, наземные станции контроля, спутниковые приемники?

2. В чем заключається основная функция станций слежения?

3. Укажите число орбитальных плоскостей и число спутников каждой плоскости в GPS?

4. Что представляет собой режим кодовых измерений?

5. Что представляет собой режим фазовых измерений?

6. Какие измерения более точные?

7. На скольких частотах излучается колебания каждым спутником?

8. Какой вид модуляции несущих колебаний используется в спутниковом сигнале?

9. Что такое фазовая манипуляция?

10. В какие моменты происходит фазовая манипуляция?

11. Что модулируется грубым и точным кодом?

 

Спутниковый сигнал

 

Сигнал, который передается из спутника являются излучаемыми в пространство электромагнитными колебаниями на двух несущих частотах, означают L1 и L2, подвергнутых особому виду фазовой модуляции - фазовой манипуляции. Последняя состоит в перебрасывании фазы несущей на 180^в в определенные моменты. Эти моменты задаются так называемыми віддалемірними кодами - определенными последовательностями нулей и единиц. Перебрасывание фазы происходит в моменты изменения в кодах 0 на 1 или 1 на 0 (рис.7.2).

Таких кодов используется два: один для "грубых", другой для " точных измерений", и они существенным образом различаются, о чем будет подробнее сказан ниже. Грубым кодом модулируется несущая L1, а точным кодом - обе несущих L1 и L2. В GPS грубый код называется С/ А-Кодом (от слов Coarse Aquisition - что легко находится, общедоступный), а точный – Р- Кодом (Precision - точный). С/ А-Код предназначен для всех пользователей.Р- Код сначала назначался только для тех, что имеют санкционированный доступ (в основном для американских военных). Сейчас доступ к Р- Кода имеют приемники практически всех пользователей. В системе ГЛОНАСС аналогичная ситуация, различие только в названиях: грубый код называется Ст- Кодом (кодом стандартной точности), а точный код - Вт- Кодом (кодом высокой точности). Однако между GPS и ГЛОНАСС есть принципиальное отличие, которое относится к использованию кодов. В GPS как С/ А-Код, так и Р- Код резни для каждого спутника при сходства несущих частот L1 и L2 для всех спутников системы. В ГЛОНАСС же, наоборот, коды СТ и ВТ всех спутников одинаковые, но разные несущие частоты. Другими словами, в GPS примененное кодовое, а в ГЛОНАСС - частотное разделение сигналов от каждого спутника.

Применение кодов решает задачу измерения расстояний (псевдодальностей) временным методом с использованием корреляционной обработки сигнала. Как это делается, будет рассмотрен в следующем разделе. Но спутниковый сигнал подвергается не только кодовой модуляции, необходимой для измерения расстояний. У него "встраивается" вся информация из спутника, который передается - мотки времени, данные об эфемериды спутника, разные поправочные величины, альманах (сборник менее точных данных о местонахождении каждого из спутников системы и состояние его “здоровье”) и др. Вся эта информация, создает навигационное сообщение, также превратится в двоичный код (последовательность нулей и единиц), которым дополнительно модулируются обе несущие частоты. Модуляция осуществляется так же, как и віддалемірними кодами - перебрасыванием фазы несущего колебания на 180° в моменты изменения символов (нулей и единиц). Частота прохождения символов навигационного сообщения составляет 50 Гц(или, как то говорят, информация передаться со скоростью 50 бит/с, поскольку один символ - 0 или 1 - содержит один бит информации).

Таким образом, сигнал каждого спутника в обеих рассмотренных глобальных системах составляется с двух несущих колебаний разных частот, маніпульованих за фазой как дальномерными кодами, так и навигационным сообщением. Дальнейшее рассмотрение этот вопроса будет ориентировано в основном на систему GPS как на ту, что получила более широкое применение у пользователей.

 

Рис.7.2. Фазовая манипуляция под действием кодового сигнала

На спутниках GPS високостабільний опорный кварцевый генератор, стабилизированный с помощью атомных эталонов частоты, генерирует колебание с частотой 10,23 Мгц, с которых соответствующим умножением или делением синтезируется вся остальные частоты – несущие, частоты прохождения символов С/А- и Р - кодов и символов навигационного сообщения. Номиналы всех частот и образ их получения указаны в таблице 7.2.

 

Віддалемірні коды. Віддалемірним кодом называют последовательность сигналов, которые могут находиться в двух разных состояниях, которым условно приписывают значение (символы) 0 и 1. Эти состояния принудительно дежурят таким образом, который у них изменению невозможно заметить какой-нибудь закономерности, то есть дежурство выглядит случайным, но через определенные интервалы времени оно периодически повторяется с точностью до каждого символа. Подобные последовательности называются псевдослучайными и образовывают псевдослучайные коды. На спутнике и в приемнике генерируются абсолютно одинаковые коды, которые окажутся смещенными по времени. Период повторения псевдослучайных последовательностей (продолжительность кода) существенным образом различается для “грубого и “точного” кодов”. Так, в GPS C/ A-Код повторяется каждую мілісекунду, а продолжительность Р- Кода составляет 266,4 суток. Короткая продолжительность C/ А-Кода позволяет легко захватить сигнал спутника на частоте L1.

Намного труднее осуществить увлечение спутникового сигнала на несущей L2, которая модулирована только Р-Кодом. Его чрезвычайно большая продолжительность выбранная разработчиками специально с целью утруднять доступ к нему для несанкционированных пользователей. Общая продолжительность Р- Кода разбитая на недельные отрезки, распределенные по всем спутникам системы, то есть Р- Код каждого спутника меняется через неделю. Разработчиками GPS были предусмотрены введения режима избирательного доступа (SA - Selective Availability), при которому с целью снижения точности измерений нарочно вносятся искажения в віддалемірний код и загрубляється ефемеридна информация в навигационном сообщении (в данное время, однако, режим SA отменен).

Для создания еще большей защищенности Р- Кода вводится режим дополнительного шифрования - так называемое Y- Кодирование (режим AS - Anti-Spoofing, что буквально переводится как “противодействие попытке обмана”).Y- Код математически может быть описан умножениям Р- Кода на нелинейную функцию W(t), неизвестную несанкционированным пользователям. Фактически Y- Кодирования - это обмен недельными отрезками Р- Кода в последовательности, известной только персонала системы. Правда, в данное время фирмы-производители приемочной аппаратуры добились на коммерческой основе разрешения вводить в компьютер приемника соответствующую микросхему, которая реализовывает алгоритм отыскания функции W(t).

Навигационное сообщение содержит 1500 бит и занимает 30 секунд. Оно разделено на 5 субкадрів по 300 бит, каждый с которых передается на протяжении 6 секунд. Субкадр составляется с 10 слов по 30 бит.

Каждый субкадр начинается с телеметрического слова TLM (Telemetry Word), что содержит диагностическое сообщение о состоянии спутника. Вторым словом каждого субкадру есть так называемое ключевое слово, обозначается HOW (Hand-over Word, буквально - “слово, которое передается из рук в руки”). Это слово содержит метку времени (так называемый Z- Отсчет), записанную в виде 29- разрядного числа в двоичном коде.

Сдача информации распределяется по субкадрах таким образом:

Субкадр 1 содержит данные о поправке часов спутника относительно системного времени GPST и коэффициенты, заложенные в модель задержки радиосигнала при прохождении его через ионосферу. Информация об ионосфере предназначена только для абонентов, которые используют одночастотные приемники (принимающие только частоту L1). При наличии двочастотного приемника влияние ионосферы практически исключается так называемым дисперсионным образом

Субкадри 2 и 3 содержат эфемериды транслюючого спутника, полученные по данным наземных станций слежения. Они корректируются каждый час, но остаются в силе на протяжении еще некоторого дополнительного интервала времени (по крайней мере на протяжении полчаса) и позволяют вычислить текущие координаты спутника на момент измерения псевдодальності. Эфемериды включают элементы кеплерової орбиты (см. курс астрономии или космической геодезії) на опорный момент и поправки к ним, которые позволяют прогнозировать элементы орбиты внутри периода действия эфемерид.

Субкадр 4 зарезервированный для передачи информации служебного характера и приемники гражданских пользователей лишены возможности ее получения.

Субкадр 5 содержит альманах спутников и данные о них трудоспособность. Альманах - это приблизительные эфемериды всех спутников системы. Альманах используется для планирования измерений.

Информация, которая спорит в субкадри 4 и 5, не помещается в одном навигационном сообщении, и эти субкадри разделенные на 25 страниц. В каждом сообщении передается одна из этих страниц, так что на передачу всей информации 4-го и 5-го субкадрів затрачивается 30 с(25 = 750 с = 12,5 мин.

 

 

ВОПРОС ДЛЯ САМОКОНТРОЛЯ:

 

1. Что, кроме віддалемірних кодов и несущих частот, входит в спутниковый сигнал?

2. Что модулируется навигационным сообщением?

3. Что представляют собой віддалемірні коды?

4. В котором субкадрі передается метка времени?

5. Сколько времени тратится на передачу альманаха?