Глобальные спутниковые радионавигационные системы

В настоящее время ведущую роль играют две глобальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС), основанные на синхронизации квантовых бортовых генераторов, – GPS (Global Positioning System), известная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging), и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) [43–46].

В СРНС GPS и ГЛОНАСС применяются навигационные космические аппараты (НКА) на круговых геоцентрических орбитах с высотой » 20000 км над поверхностью Земли. Благодаря использованию квантовых стандартов частоты на борту НКА в системе обеспечивается взаимная синхронизация навигационных радиосигналов, излучаемых орбитальной группировкой НКА. В аппаратуре потребителя (АП) в сеансе навигации принимаются радиосигналы не менее чем от четырех “радиовидимых” НКА и используются для измерения трех разностей дальностей и трех разностей радиальных скоростей объекта относительно четырех НКА. Результаты измерений и эфемеридная информация, принятая от каждого НКА, позволяют определить (уточнить) три координаты и три составляющие вектора скорости подвижного объекта и определить смещение шкалы времени (ШВ) объекта относительно ШВ системы. В СРНС число потребителей не ограничивается, поскольку НАП не передает радиосигналы на НКА, а только принимает их от НКА (пассивная автономная навигация).

СРНС GPS и ГЛОНАСС наряду с основной функцией (глобальная автономная оперативная навигация приземных подвижных объектов) позволяют проводить:

1) локальную высокоточную навигацию наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных) на основе дифференциальных методов навигации с применением стационарных наземных корректирующих станций;

2) высокоточную взаимную геодезическую "привязку" удаленных наземных объектов;

3) взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удаленных наземных объектах [47–52];

4) неоперативную автономную навигацию среднеорбитальных космических объектов;

5) определение ориентации объекта на основе радиоинтерферометрических измерений на объекте с помощью навигационных радиосигналов, принимаемых разнесенными антеннами.

СРНС GPS и ГЛОНАСС включают в себя три сегмента: орбитальную группировку (ОГ) НКА; наземный комплекс управления (НКУ) ОГ НКА; АП.

Принципы построения СРНС GPS и ГЛОНАСС в общих чертах идентичны, но отличаются техническим выполнением подсистем. Основными достоинствами навигационных систем GPS и ГЛОНАСС являются глобальность обслуживания, высокая точность и непрерывность определения координат и скорости движения объекта. Кроме того, обе системы обладают возможностями повышения точности и надежности навигационных измерений в результате применения дифференциального режима.

Система GPS была разработана по заказу МО США, а космические аппараты (НКА) изготовила компания Rockwell International. Первая штатная ОГ системы GPS (24 НКА Block II) разворачивалась с 1989 по 1994 г. Окончательный ввод GPS в эксплуатацию состоялся в 1995 г. Система используется во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач. В планы модернизации системы GPS входят введение новых диапазонов частот и более совершенных сигналов, повышение мощности, увеличение числа НКА (до30-36).

Российская система ГЛОНАСС разрабатывалась по заказу МО России, но сейчас применяется для предоставления навигационных услуг различным категориям потребителей без каких-либо ограничений. Полное развертывание системы ГЛОНАСС было завершено к 1996 г. После 2000 г. намечено восполнение системы НКА нового поколения с более стабильными бортовыми стандартами (СКО не хуже 10^-13) и двухкомпонентными сигналами (узкополосным и широкополосным) в обоих диапазонах частот 1600 МГц и 1250 МГц.

Все спутники GPS/ГЛОНАСС являются автономными. Параметры их орбит периодически контролируются сетью наземных станций слежения, с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки) вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения НКА от расчетных траекторий движения и определяется собственное время бортовых часов. Наземные станции также контролируют исправность навигационной аппаратуры, установленной на борту НКА. Для обнаружения отказов аппаратуры требуется, как минимум, несколько часов.

Основные характеристики СРНС GPS и ГЛОНАСС приведены в табл. 3.

Каждый GPS-спутник излучает на двух частотах (L1 и L2) специальный навигационный сигнал в виде фазоманипулированной псевдослучайной последовательности. В сигнале зашифровываются два вида кода. Один из них - код С/А (coarse/acquisition или clear/acquisition) - доступен широкому кругу гражданских потребителей. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому называется "грубым" кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью кода Голда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц.

Код P (precision code) обеспечивает более точное вычисление координат, но пользоваться им способны не все; доступ к нему ограничивается провайдером услуг GPS. В основном P-код предоставляется военным и федеральным службам США. Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота – 10,23 Мгц.

Таблица 3 – Основные характеристики СРНС GPS и ГЛОНАСС

Обозначения в таблице: Н/д – нет данных; ЭИИМ – эквивалентная изотропно излучаемая мощность.

Кроме этих кодов в сигнале GPS может присутствовать так называемый Y-код, являющийся шифрованной версией P-кода.

Кроме кодов С/А и P навигационный спутник регулярно передает специальное сообщение, которое содержит дополнительные сведения. Пользователь информируется о состоянии спутника и его параметрах - системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиту движения навигационного спутника), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и/или L2.

Навигационные GPS- или GPS/ГЛОНАСС приемники различаются по количеству каналов приема (обычно 6–8), скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат, целевым назначением. По назначению различают следующие виды приемников: простейшие персональные; бортовые авиационные; геодезические; временные, встраиваемые модульные и др. Приемники, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам

Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах - 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D устанавливается широта и долгота (высота считается известной); для этого достаточно присутствия в зоне “радиовидимости” трех спутников. Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее четырех НКА. Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин. Комбинированные GPS/ГЛОНАСС - приемники с обобщенным алгоритмом определения местоположения даже при использовании стандартного С/А - кода обеспечивают более высокую точность (15–20 м).

Основные источники погрешностей СРНС приведены в табл. 4..

Новые возможности открывает европейская глобальная навигационная спутниковая система GNSS (Global Navigation Satellite System). Система GNSS станет естественным расширением GPS и ГЛОНАСС, обеспечивая совместимость с ними по структуре основных сигналов навигации. Ее сигналы будут аналогичны по структуре сигналам систем GPS и ГЛОНАСС, однако, в отличие от последних, в сообщения GNSS будут добавлены сведения о целостности навигационной системы и ряд других данных, позволяющих повысить точность определений.

Таблица 4 – Основные источники погрешностей СРНС

К созданию системы GNSS привела идея мгновенной оценки текущего состояния орбитальных группировок GPS/ГЛОНАСС с помощью геостационарных НКА и своевременного оповещения о нем потребителей. Пользовательская аппаратура GNSS оснащается оборудованием для обработки дополнительного навигационного сигнала. Эти сигналы будут формироваться в специальных региональных вычислительных центрах. Информацию о целостности GPS и ГЛОНАСС предполагается доводить до потребителей с помощью геостационарных НКА по узкополосным каналам, называемым каналами целостности GIC (GPS Integrity Channel).

Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта и устранения ошибок, связанных с введением режима селективного доступа, основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 5 м в динамической навигационной обстановке и до 2 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приемник, и дает возможность одновременно отслеживать GPS-спутники.

Опорная станция включает в себя измерительный датчик GPS с антенной, процессор, приемник и передатчик данных с антенной. Станция, как правило, использует многоканальный приемник GPS, каждый канал которого отслеживает один видимый спутник. Необходимость непрерывного отслеживания каждого НКА обусловлена тем, что опорная станция должна "захватывать" навигационные сообщения раньше, чем приемники потребителей. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными, контрольный GPS–приемник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.