Космический сегмент системы ГЛОНАСС и GPS

Подсистема космических аппаратов СРНС состоит из определенного числа навигационных спутников. Основные функции НС – формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей СРНС, контроля бортовых систем спутника подсистемой контроля и управления СРНС. С этой целью в состав аппаратуры НС обычно включают: радиотехническое оборудование (передатчики навигационных сигналов и телеметрической информации, приемники данных и команд от КИК, антенны, блоки ориентации), ЭВМ, бортовой эталон времени и частоты (БЭВЧ), сол­нечные батареи и т. д. Бортовые эталоны времени и частоты обеспечивают практически синхронное излучение навигационных сигналов всеми спутниками, что необходимо для реализации режима пассивных дальномерных измерений в аппаратуре потребителей.

Навигационные сигналы спутников содержат дальномерные компоненты и компоненты служебных сообщений. Первые используют для определения в аппаратуре потребителей СРНС навигационных параметров (дальности, ее производных, ПВК и т. д.), вторые — для передачи потребителям координат спутников, векторов их скоростей, времени и др. Основная часть служебных сообщений спутника подготовлена в наземном командно-измерительном комплексе и передана по радиолинии на борт спутника. И только небольшая их часть формируется непосредственно бортовой аппаратурой.

Дальномерные компоненты навигационных сигналов содержат две составляющие, отличающиеся обеспечиваемой ими точностью навигационных определений (стандартной и более высокой). В аппаратуре гражданских потре­бителей обрабатывается сигнал стандартной точности. Для использования сигнала высокой точности требуется санкция военных органов.

Соответствующие характеристики сигналов НС и способы их обработки позволяют проводить навигационные измерения с высокой точностью.

В современных СРНС типа ГЛОНАСС и GPS большое внимание уделяется взаимной синхронизации НС по орбитальным координатам и излучаемым сигналам, что обусловило применение к ним термина «сетевые СРНС».

Подсистема космических аппаратов системы ГЛОНАСС состоит из 24-х спутников, находящихся на круговых орбитах высотой 19100 км, наклонением 64,8° и периодом обращения 11 часов 15 минут в трех орбитальных плоскостях. Орбитальные плоскости разнесены по долготе на 120°. В каждой орбитальной плоскости размещаются по 8 спутников с равномерным сдвигом по аргументу широты 45°. Кроме этого, в плоскостях положение спутников сдвинуты относительно друг друга по аргументу широты на 15°. Такая конфигурация ПКА позволяет обеспечить непрерывное и глобальное покрытие земной поверхности и околоземного пространства навигационным полем.

В состав бортовой аппаратуры входят:

·                    навигационный комплекс;

·                    комплекс управления;

·                    система ориентации и стабилизации;

·                    система коррекции;

·                    система терморегулирования;

·                    система электроснабжения.

Для обеспечения надежности на спутнике устанавливаются по два или по три комплекта основных бортовых систем.

Таким образом, на спутник ГЛОНАСС возложено выполнение следующих функций:

·                    излучение высокостабильных радионавигационных сигналов;

·                    прием, хранение и передача цифровой навигационной информации;

·                    формирование, оцифровка и передача сигналов точного времени;

·                    ретрансляция или излучение сигналов для проведения траекторных измерений для контроля орбиты и определения поправок к бортовой шкале времени;

·                    прием и обработка разовых команд;

·                    прием, запоминание и выполнение временных программ управления режимами функционирования спутника на орбите;

·                    формирование телеметрической информации о состоянии бортовой аппаратуры и передача ее для обработки и анализа наземному комплексу управления;

·                    прием и выполнение кодов/команд коррекции и фазирования бортовой шкалы времени.

Структура сигнала ГЛОНАСС

Сигнал в диапазоне L1 (аналогичен C/A-коду в GPS доступен для всех потребителей в зоне видимости КА. Сигнал в диапазоне L2 предназначен для военных нужд, и его структура не раскрывается.

Подсистема космических аппаратов системы GPS состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55^о к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60^о по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых – для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2- только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

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.

Структура сигнала GPS

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.

Системы контроля и управления.

Подсистема контроля и управления представляет собой комплекс наземных средств (командно-измерительный комплекс – КИК), которые обеспечивают наблюдение и контроль за траекториями движения НС, качеством функционирования их аппаратуры; управление режимами ее работы и параметрами спутниковых радиосигналов, составом, объемом и дискретностью передаваемой со спутников навигационной информации, стабильностью бортовой шкалы времени и др.

Обычно КИК состоит из координационно-вычислительного центра, (КВЦ), станций траекторных измерений и управления (СТИ), системной (наземного) эталона времени и частоты (СЭВЧ).

Периодически при полете НС в зоне видимости СТИ, происходит наблюдение за спутником, что позволяет с помощью КВЦ определять и прогнозировать координатную и другую необходимую информацию. Затем эти данные вкладывают в память бортовой ЭВМ и передают потребителям в служебном сообщении в виде кадров соответствующего формата.

Синхронизация различных процессов в СРНС обеспечивается с помощью высокостабильного (атомного) системного эталона времени и частоты, который используется, в частности, в процессе юстировки бортовых эталонов времени и частоты навигационных спутников СРНС.

Подсистема контроля и управления ГЛОНАСС состоит из Центра управления системой ГЛОНАСС и сети станций измерения, управления и контроля, рассредоточенной по всей территории России. В задачи ПКУ входит контроль правильности функционирования ПКА, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации.

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

Наземные сети станций измерения, управления и контроля ГЛОНАСС

Наземные станции слежения за спутниками системы GPS

Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Навигационная аппаратура потребителей

Навигационная аппаратура потребителей состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС. По измерениям параметров этих сигналов решается навигационная задача (вычисления собственных координат, скорости и времени). Приемник можно разделить на три части:

·                                             радиочастотную часть;

·                                             цифровой коррелятор;

·                                             процессор.

Общая структура приемника

С выхода антенно-фидерного устройства (антенны) сигнал поступает на радиочастотную часть. Основная задача этой части заключается в усилении входного сигнала, фильтрации, преобразовании частоты и аналого-цифровом преобразовании. Помимо этого, с радиочастотной части приемника поступает тактовая частота для цифровой части приемника. С выхода радиочастотной части цифровые отсчеты входного сигнала поступают на вход цифрового коррелятора.

Типы спутниковых приемников

Под аппаратурой пользователя подразумевают навигационные приемники, которые используют сигнал со спутников ГЛОНАСС и GPS для вычисления текущей позиции, скорости и времени. Пользовательскую аппаратуру можно разделить на «бытовую» и «профессиональную». Во многом этом разделение условное, так как иногда достаточно трудно определить, к какой категории следует отнести GPS приемник и какие критерии при этом использовать. Есть целых класс GPS навигаторов, использующихся в пеших походах, автомобильных путешествиях, на рыбалке и т.п. Есть авиационные и морские навигационные системы, которые зачастую входят в состав сложных навигационных комплексов. В последнее время широкое распространение получили GPS чипы, которые интегрируются в КПК, телефоны и другие мобильные устройства. Поэтому в навигации большее распространение получило деление GPS приемников на «кодовые» и «фазовые». В первом случае, для вычисления позиции используется информация, передаваемая в навигационных сообщениях. К этой категории относится большинство недорогих GPS навигаторов, стоимостью 100-2000 долларов.

Навигационное оборудование

(автомобильный навигатор, КПК с встроенной GPS и туристический навигатор)

Вторая категория навигационных ГЛОНАСС и GPS приемников, профессиональная геодезическая и картографическая аппаратура, использует не только данные, содержащиеся в навигационных сообщениях, но и фазу несущего сигнала. В большинстве случаев это дорогостоящие одно- и двухчастотные (L1 и L2) геодезические приемники, способные вычислять позицию с относительной точностью в несколько сантиметров и даже миллиметров. Такая точность достигается в RTK режиме, при совместной обработке измерений GPS приемника и данных базовой станции. Стоимость таких устройств может составлять десятки тысяч долларов.

Эта аппаратура предназначена для высокоточного определения координат с использованием информации от всех видимых спутников GPS и ГЛОНАСС при геодезической съемке, создании и развитии геодезических сетей, создании государственного земельного кадастра и мониторинга земель. Наиболее известные и распространенные на сегодняшний день – это приемники фирмы Trimble и Topcon.

Профессиональные геодезические GPS/ГЛОНАСС приемники

Topcon GB-1000 это сорокаканальный двухчастотный (L1+L2) двухсистемный (GPS+ГЛОНАСС) приемник, выполненный по самым современным технологиям, ориентированным на геодезический рынок. Приемники этой серии могут принимать и обрабатывать спутниковые сигналы на частотах L1 и L2, обеспечивая высокую точность измерений в различных режимах съемочных работ. Преимущества технологий Topcon AMR (Advanced Multipath Reduction) и Co-Op Tracking в приемниках, наиболее явно проявляются в сложных условиях полевых работ, таких как съемка на залесенных территориях.

Приемник обеспечивает высокую функциональность, точность, целостность данных для быстрого и простого процесса съемочных работ. Возможности приемника позволяют использовать его для геодезических  и кадастровых работ, картографировании, в гражданском строительстве, фотограмметрических и гидрографических съемках.

В GB-1000 встроен контроллер, дающий возможность гибкого управления, явного контроля и обеспечения большинства режимов полевых съемочных работ. Жидкокристаллический дисплей и расширенная клавиатура интегрировнного контроллера позволяет управлять основными этапами полевой съемки и выполнять запуск RTK базовой станции. Встроенная плата Ethernet позволяет дистанционно управлять и использовать GB-1000 в составе программно-аппаратного комплекса TopNET при создании сетей постоянно действующих базовых станций.

Режим ГЛОНАСС существенно увеличивает скорость, надежность и точность результатов.

Ручной приемник ГИС GMS-2 использует самые современные разработки в области обработки спутниковых сигналов навигационных систем GPS/NAVSTAR и ГЛОНАСС. К достоинствам новой ГИС системы стоит отнести встроенный электронный компас и цифровую фотокамеру. GMS-2 дает возможность приема и обработки спутниковых сигналов по навигационным системам GPS и ГЛОНАСС по 50 каналам. Достижением является тот факт, что пользователь имеет выбор работать в субметровом уровне точности или же производить статические сеансы измерений с внешней геодезической антенной на сантиметровом уровне.

Помимо съемки с постпроцессорной обработкой, GMS-2 также может использовать источники дифференциальной коррекции в реальном времени. Коррекция относительно дифференциального сервиса WAAS/EGNOS является стандартной возможностью. При подсоединении через Bluetooth с мобильным телефоном, возможно получить дифференциальные данные от местных сетей базовых станций. Внешний радиомодем Topcon BR-1 осуществляет прием спутниковых дифференциальных данных от специализированных радиомаяков.

Существенным преимуществом GMS-2 является то, что это устройство может использоваться как спутниковый приемник, так и как полевой контроллер.