Тактико-технические данные системы Navstar.

4.1. Общие сведения о системе.

Navstar GPS является совместной программой Военно-Воздушных сил США, Центра ракетных вооружений (SMC), Воено-Космических сил, Лос-Анжелесской базы ВВС, Калифорния. Совместная программа несет ответственность за развитие и разработку спутникового оборудования, наземных систем и пользовательского оборудования военного предназначения. Спутниковая группировка управляется 50-м отрядом Военно-космических сил США.

Navstar (Navigation system with timing and ranging - Навигационная система с определением времени и дальности. Встречается еще один вариант расшифровки слова Navstar - Navigation satellite timing and ranging, то есть навигационный спутник для определения времени и дальности. Когда Navstar стала использоваться и для гражданских целей, появился термин GPS (Global Position System) - глобальная система определения местоположения, о котором было сказано выше. Таким образом возникла аббревиатура Navstar GPS. Несмотря на некоторую кажущуюся путаницу в описанной терминологии, должно быть ясно одно: речь идет о единой глобальной спутниковой навигационной системе. Эта система имеет неоспоримое преимущество перед наземными средствами навигации. Она работает в любую погоду и позволяет определить не только координаты объекта, но и вектор скорости.

Существуют четыре поколения спутников системы Navstar GPS: Block l, Block II/IIА, Block IIR, Block IIF. Спутники типа Block I использовались на первом этапе программы Navstar для общей оценки работы системы и накопления практического опыта. Первый спутник, относящийся к поколению ВlосК II, был запущен 14 февраля 1989 года. Спутник SVN 14 под кодовым именем Cupid был запущен с базы BBC США ракетой носителем Delta II. SVN 14 является самым старым из работающих на орбите спутников. После этого было запущено еще 27 космических аппаратов поколений Block II и Block IIА. Спутники этого поколения в настоящее время основу системы. Космические аппараты типа Block IIR имеют улучшенные характеристики и способны определять свое собственное местоположение в космосе на основе межспутниковой дальнометрии с других Block IIlR спутников. Это поколение GPS спутников признано заместить спутники Block II и Block IIA. 7 октября 1999 года с мыса Канаверал (база BBC США) с помощью ракеты носителя Delta II был запущен третий GPS спутник поколения Block IIR. Целью миссии стала замена старого 15-гo спутника, довольно сильно к этому времени износившегося. Запущенный спутник под номером 46 должен проработать 10 лет. Спутники четвертого поколение Block IIF отличаются большим сроком службы (запланированное время работы - 15 лет) и увеличенным местом для полезной нагрузки. Эти космические аппараты будут основой системы Navstar GPS в будущем.

4.2. Система координат.

СРНС NAVSTAR GPS использует опорную систему координат «World Geodesic System, 1984» (WGS-84) (Мировая геодезическая система 1984 года).

Эта система координат задается и уточняется на 11 станциях слежения. Координаты станций слежения GPS периодически корректируются путем согласования с системой координат ITRF.

Международная система координат ITRF в настоящее время реализуется порядка 190 пунктами, в состав которых входят пункты РСДБ и пункты международной службы вращения Земли. Значения геоцентрических координат пунктов ITRF вследствие непрерывного совершенствования сети и геодинамических процессов изменяются. Поэтому каталоги координат обновляют и указывают эпоху обновления, например, ITRF-89, ITRF-94, ITRF-2000, ITRF-2005, с указанием скоростей изменения координат пунктов.

Что касается локальных координат высот, то они основаны на различных определениях уровня моря. До сих пор нет единой мировой системы отсчета высот, способной связать эти локальные высотные координаты. Исходное определение и реализация WGS-84 удовлетворяют требованиям Министерства обороны США к картографированию территорий и геодезическим требованиям. Точность плановых координат в этой системе, равная 1-2 м, была более чем достаточной для крупномасштабного картографирования. Точность высот зависела от того, как были определены превышения. Если для этой цели использовалось нивелирование I-го класса, высоты определялись очень точно (до см) по отношению к локальному уровню моря. При нивелировании превышения оценивались по высотам по отношению к эллипсоиду WGS-84, и использовались высоты геоида, определенные по модели WGS геоида.

WGS-84 использует модель сферического гармонического расширения гравитационного потенциала вверх в определенном порядке и до 360 градусов.

4.3. Состав системы Navstar GPS.

Космический сегмент.

Для покрытия земного шара необходимо только 24 спутника, остальные выступают в качестве запасных. Спутники распределены по шести орбитам на высоте около 20 000 км (по четыре спутника на каждой орбите) и имеют наклон 55° по отношению к экватору (см. рис. 1.2.3.). Они движутся со скоростью около 3 км/с (два оборота вокруг Земли менее чем за сутки). Такая конфигурация системы позволяет принимать сигнал сразу от нескольких спутников практически в любом месте Земли (за исключением некоторых приполярных областей). Вес каждого спутника около тонны, а размер с раскрытыми солнечными батареями - около 5 м. Мощность передатчика порядка 50 Вт. Каждый спутник рассчитан на работу в течение десяти лет. Новые спутники запускаются на орбиту по мере необходимости, например в случае выхода из строя или необходимости провести профилактические работы.

Сегмент управления.

Содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс и три станции закладки:острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн (см. рис. 1.2.7.). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

- Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают информацию на главную станцию.

- Главная станция вычисляет поправки синхронизации атомных часов спутников. Она также исправляет орбитальную информацию (эфемериды спутников). Главная станция передаёт результаты своей работы станциям загрузки.

- Станции слежения потоками данных обновляют информацию, передаваемую каждым спутником, используя данные, полученные от главной станции.

- После чего спутник шлёт набор данных орбитальных эфемерид на приемники.

Аппаратура потребителей.

В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности C/A либо C/A и P, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:

- по C/A-коду (одночастотный кодовый приемник);

- по Р-коду (двухчастотный кодовый приемник);

- по C/A-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник);

- по Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).

Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.

4.4. Кодирование навигационных сигналов в системе Navstar GPS.

Спутники передают непрерывный навигационный сигнал в двух L-диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц.

Для гражданских целей используется частота L1. Для военных целей - частота L2. Передаваемый сигнал модулируется псевдослучайным кодом (PRN). Существует грубый код - С/А-код (Coarse Acquisition code), используемый в гражданских приемниках, и точный P-код (Precision code), используемый в военных целях и иногда для нужд геодезии и картографии.

Рис. 4.4.1. Сигнал GPS.

Спецификация GPS Positioning Services в Федеральном плане радионавигации США.

Система точного позиционирования. Precise Positioning System (PPS).

Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием, ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы:

• горизонталь 22 метра

• вертикаль 27.7 метров

• время 100 наносекунд

Система стандартного позиционирования. Standard Positioning System (SPS).

Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без ограничений. Большинство приемников GPS может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений:

• горизонталь 100 метров

• вертикаль 156 метров

• время 340 наносекунд

Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:

- обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;

- создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);

- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.

Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (иначе называемых “чипами”) 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.

Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Однако и это “тайное” стало “явным” в результате утечки секретной информации, после чего к P-коду получил доступ широкий круг специалистов. Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.

Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый “режим выборочного доступа” SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза.

Также спутники передают на приемник служебную информацию: альманах, содержащем данные об орбитах и координатах спутника, эфимерис - данные, содержащие важную информацию о рабочем состояние спутника, текущей дате и времени.

В таблице 4.1.1. приведена сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и Navstar. В перспективе возможно совместное использование этих систем.

Табл. 4.1.1.