Навигационные системы NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС состоят из трёх основных подсистем:
1) подсистема космических аппаратов
2) подсистема контроля и управления
3) навигационной аппаратуры потребителей
Подсистема космических аппаратов
Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в 100 километрах от поверхности земли требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют “сетку” над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести. Полностью развёрнутая спутниковая система имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для “горячей” замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены взамен неисправного). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность. Они также могут быть использованы и для увеличения степени покрытия отдельного региона. Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с наземной станции управления, но в связи с ограниченным запасом топлива на борту спутника делается это только в исключительных случаях. При необходимости в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника располагаются несколько эталонов времени и частоты «высокоточные атомные часы». Работает всегда один эталон, а располагается их в спутнике несколько (от трёх до четырёх).
Подсистема контроля и управления
Эта система состоит из:
- центра управления навигационной системой со своим мощным вычислительным центром
- развёрнутой сети станций измерения управления и контроля, связанных между собой
- центром управления каналами связи и наземного эталона времени и частоты “атомных часов”, для синхронизации бортовых “атомных часов” спутников (этот эталон более высокоточный, чем те, что установлены на спутниках).
В задачи данной подсистемы входит контроль правильности функционирования спутников, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При пролёте спутника в зоне видимости станции измерения, управления и контроля, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и производит обмен данными с центром управления системой. На главной станции происходит обработка и вычисление всех поступающих от сети управления данных их математическая обработка и вычисление координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовой компьютер спутника.
Навигационная аппаратура потребителей
Состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени.
Вопр.26.В чем суть кодового измерения дальностей?
Кодовый метод определения дальностей. В этом случае используются специальные дальномерные коды. Они представляют собой импульсы, чередующиеся в определенной последовательности. Обычно их обозначают символами 0 и 1. Таким образом, код — это некоторая периодически повторяющаяся комбинация 0 и 1. Дальномерный код должен иметь значительную продолжительность и случайное распределение 0 и 1. В этом случае два идентичных кода коррелируют лишь тогда, когда они полностью совмещены друг с другом. Практически коды имеют псевдослучайное распределение О и 1, так как они вырабатываются по определенным строгим закономерностям. На спутнике и в приемнике синхронно генерируют одинаковые коды. В сущности код в приемнике представляет
собой копию кода спутника. Принятый в приемнике код спутника запаздывает по отношению к местному на время, пропорциональное пройденному им расстоянию. Поэтому пришедший и местный коды не коррелируют. Время распространения сигнала, следовательно, и дальность от приемника до спутника определяют задержкой местного кода до обнаружения сильной его корреляции с кодом, принятым со спутника.
Практически измеряют не дальности, а искаженные их значения — псевдодальности. Псевдодальность отличается от истинной дальности на величину, пропорциональную расхождению шкал времени на спутнике и в приемнике. Если отсчеты по всем каналам приемника, принимающим сигналы от разных спутников, проводятся одновременно, то отличия псевдодальностей от дальностей до любого спутника будут одинаковыми. Это отличие может быть исключено введением его в качестве дополнительного неизвестного в уравнения местоопределения.
Генерируют коды двух типов: высокой и стандартной точности. Первые точнее, сложнее и используются в военных целях, вторые проще и предназначены для гражданских пользователей. Код высокой точности имеет значительную продолжительность и хорошо защищен от несанкционированного вмешательства. В GPS он обозначается как Р-код. Трактуется как точный (Precision) или защищенный (Protected). Длительность одного символа кода около 0,1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 30 м. Инструментальная погрешность определения псевдодальностей составляет несколько дециметров. Продолжительность кода семь суток. Каждый GPS-спутник имеет свой семисуточный фрагмент. Смена фрагментов на всех спутниках происходит еженедельно в 0 часов с субботы на воскресенье. Военный Р-код хорошо защищен. Кроме того, в случае возникновения угрозы национальной безопасности США могут быть введены еще два режима защиты. Это режим избирательного доступа (Selective Availability — SA), при котором преднамеренно в целях понижения точности измерений искажают дальномерный код и данные о местонахождении спутников, и режим дополнительного шифрования (Anti Spoofing — AS), когда Р-код переводится в новый Y-код.
В ГЛОНАСС, в отличие от GPS, нет режимов, которые принудительно загрубляют результаты и дополнительно шифруют высокой точности код.
Стандартной точности GPS-код обозначается как С/А-код. Интерпретируется как свободно доступный и легко распознаваемый (Clear Acquisition), или как гражданский (Civil Application). Частота повторения символов кода в десять раз меньше, чем у Р-кода. Поэтому длительность одного его символа около 1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 300 м. Инструментальная погрешность в псевдодальности может составить несколько метров. Продолжительность кода 1 мс. Это означает, что через 1 мс, примерно через каждые 300 км пути, код повторяется. Вследствие этого возникает проблема неоднозначности измерений, ибо неизвестно сколько раз этот код повторился на пути от спутника до приемника. Для разрешения неоднозначности псевдодальностей нужна дополнительная телеметрическая информация, или необходимо знать координаты приемника с ошибкой до 150 км.
В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код — разделение сигналов кодовое. В ГЛОНАСС каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды – разделение сигналов частотное.
В существующих ГСП коды высокой точности передаются как на частоте L1, так и на частоте L2. В силу этого частоты L1 и L2 называют несущими. Гражданские коды транслируются только на несущей частоте L1. Это означает, что измеренные с помощью гражданских кодов дальности не защищены от ионосферных искажений.
Вопр.27.В чем суть фазового метода измерения дальностей?
Фазовый метод определения дальностей. Фазовым методом выполняют наиболее точные измерения. Для этого используют несущие волны L1 и L2. Инструментальная погрешность метода не превышает 1-2 мм. Метод основан на том, что фаза синусоидального колебания изменяется пропорционально времени. По истечении каждого периода фаза колебаний меняется на один цикл. В приемнике фаза принятой со спутника волны отличается от фазы местных колебаний на величину, пропорциональную расстоянию от спутника до приемника. При фазовом методе измерений возникает сложная проблема разрешения неоднозначности (многозначности). На пути от спутника к приемнику изменению расстояния в одну длину волны соответствует изменение фазы волны в один цикл (период). Поэтому результат измерения разности фаз пришедшего и местного колебаний должен был бы состоять из некоторого целого числа циклов и дробной их части. Учитывая длину волны и высоту полета спутников, нетрудно подсчитать, что циклов должно быть около 100 000 000. В действительности измерениями фиксируется только дробная часть. Это означает, что при длине волны 19 см расстояние, каким бы оно не было большим, фиксируется только в пределах этого отрезка. Неоднозначность фазовых измерений обусловлена тем, что отсутствует возможность счета целого числа (N) уложений длины волны в измеряемом расстоянии. Нужны дополнительные усилия, чтобы получить однозначные значения дальностей. Разрешение неоднозначности фазовых измерений — одна из труднейших задач, решаемых ГСП.
Вопр.28.Абсолтный и дифференциальный способы позиционирования.
Способами абсолютного позиционирования определяют полные координаты пунктов. Относительным позиционированием находят приращения координат или вектор между двумя пунктами. При относительном позиционировании основные измерения выполняются фазовым методом; параллельно с этим, в целях нахождения приближенных значений координат и разрешения неоднозначности фазовых
циклов, измеряют кодовые псевдодальности.
Точность способов существенно различна: от долей сантиметра до сотни метров. Наибольшую точность обеспечивают дифференциальные и особенно относительные способы. В их основе лежит предположение, что измерения с двух станций до спутника искажены примерно одинаково. Чем станции ближе друг к другу, тем это утверждение точнее.
Дифференциальный способ. Погрешности в кодовых псевдодальностях большие. Однако, важно учитывать не только величины, но и характер влияния. Многие из них можно устранить. В дифференциальном способе, в отличие от автономного, псевдодальности до спутников измеряют с двух станций на земле. Одна ставится на пункте с известными координатами. Ее называют базовой или референц-станцией (base or reference station). Другая, подвижная (rover), размещается над новой точкой. На базовой станции измеренные псевдодальности сравнивают с расстояниями, вычисленными по координатам, и определяют их разности. Эти разности, так называемые дифференциальные поправки (differential corrections), передают на другую станцию для исправления измерений. Способ основан на предположении, что многие
погрешности, кроме АП, одинаково влияют на измерения с каждой станции. В самом деле. Погрешности, возникающие на данном КА и из-за действия режима SA, на обеих станциях практически одни и те же.
Воздействия атмосферы на разных линиях могут несколько различаться по причинам:
а) разные длины трасс и б) локальные неоднородности на трассах (рис. 17). Когда расстояние между станциями <10 км, искажения на обеих трассах практически одинаковы.
Рис. 17. Различные влияния атмосферы на трассах SA и SB
Рассмотрим, как влияют погрешности в координатах спутников (эфемеридах). На рис. 18 S истинное положение спутника, S’ фиктивное, соответствующее принятым координатам. Их смещение SS’ = d. Расстояние между станциями AB = D.
На рис. 18 не выдержан вертикальный масштаб; в действительности d «D, а D«R.
Соответственно дальности, вычисленные до станций A и B, искажены на малые величины
aS’ = d.cos() и bS’ = d.cos().
Угол мал. Приблизительно ~ D/R. Тогда разность искажений
R = bS’ - aS’ = 2d sin(/2) sin(/2) dsin(),
R = d.Dsin()/R.
при d = 10 м, R = 20 000 км и sin() = 1 получаем
Rмм = 0,5Dкм.
В формуле дальность D дана в километрах, а разность DR - в миллиметрах. Например, если расстояние между станциями 1 км, то разница в искажениях дальностей до одной и до другой станции составит всего 0,5 мм.
Погрешности в эфемеридах в значительной мере ис-ключаются. Чем меньше расстояние между станциями, тем точнее коррекции. Что же касается искажений, вносимых АП, то их можно учесть, как и в автономном позиционировании.
Рис. 18. Влияние погрешностей в эфемеридах КА
Поправки вводят или после измерений при обработке (постобработка), или передают их по дополнительному цифровому радиоканалу и учитывают в ходе измерений в реальном времени. Поправки быстро стареют, поэтому одновременно транслируют данные о скорости их изменения. Дифференциальные коррекции применяют и к фазовым измерениям.
Точность дифференциального позиционирования зависит от приемников, ГФ, программного обеспечения и колеблется от первых дециметров до нескольких метров. Коррекции к фазовым дальностям повышают точность до сантиметрового уровня (PDGP).
Радиотехническая комиссия по морской службе RTCM (Radio Technical Comission for Maritime Services) образовала специальный комитет SC-104, который разрабатывает вопросы по содержанию, форматам и способам передачи дифференциальных поправок.
Для передачи дифференциальных поправок используются средневолновый (275-2000 кГц) и УКВ (390-1550 МГц и 3-300 ГГц) радиоканалы. Геодезические приемники обычно имеют вход, позволяющий принимать в форматах RTCM SC-104 поправки в псевдодальности по каждому спутнику. Наличие RTCM-выхода, в свою очередь, дает возможность использовать приемник в качестве базового для генерирования и трансляции по дополнительному цифровому радиоканалу поправок на другие приемники. Формат RTCM SC-104 предусматривает трансляцию и неисправленных псевдодальностей, и фаз несущих волн. Поэтому в широком смысле под дифференциальным позиционированием часто понимают способ определения местоположения приемника в реальном времени по переданным данным (Leick, 1995).
Существует более 500 базовых станций, расположенных в разных странах мира, которые в своих прибрежных зонах передают дифференциальные коррекции в стандартном международном формате RTCM SC-104. Эти станции являются собственностью разных организаций и предлагают поправки свободно или за плату. Организованы службы, которые передают коррекции через спутники связи. В ряде стран созданы сети постоянно действующих базовых станций. Например, в Швеции 21 станция обеспечивает дифференциальные измерения по всей стране. В Российской Федерации также начато создание таких станций. Навигационные дифференциальные подсистемы (ДПС) условно подразделяют на локальные, региональные и широкозонные. Локальные ДПС имеют зону действия в радиусе 50 - 200 км от контрольно-корректирующей станции (ККС). Точность определения текущего местоположения: от 2 до 4,5 м. К локальным относят также геодезические ДПС с дальностью до 50 км и с дециметрово-сантиметровой точностью. Рабочая зона региональных ДПС простирается от 400 - 500 до 2000 км. Они могут иметь одну или несколько ККС. Примером является ДПС Startfix с дальностью действия свыше 2000 км, с 60 наземными ККС и четырьмя спутниками. Заявленная точность 1 - 2 м на дальностях до 1000 км и 3 м на дальностях свыше 2000 км.
Основой широкозонных ДПС является сеть ККС, передающих информацию в центр управления для их совместной обработки. Размер зоны около 5000 км. Широкозонной ДПС GPS и ГЛОНАСС является, например, система EGNOS (European Geo-stationary Navigation Overlay Service). Корректирующая информация будет передаваться потребителям через геостационарные спутники AORE (Atlantic Ocean Region East) - 15,50 западной долготы и IOR (Indian Ocean Region) - 640 восточной долготы. Предполагаемая точность определения координат составит 2,5 - 5 м. Начало развертывания EGNOS - 1998 г., полная готовность будет достигнута в 2002 г. ДПС должны обеспечивать целостность системы. Целостность подразумевает нормальную работу всех спутников системы и своевременное оповещение пользователей о неполадках в ней. Так, служба контроля целостности EGNOS предупреждает пользователя менее, чем за 10 с. Помимо этого организуется контроль за достоверностью передаваемых поправок. При геодезическом использовании ДПС с этой целью следует выполнять контрольные измерения на пунктах с известными координатами.
