Cпутниковые Системы

12

рис.2 Орбиты спутников системы GPS Navstar

В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.

Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному

© Карасев В.В.

12

13

времени”. Эталон времени GPSприемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений.

рис.3 Сегменты СРНС

Всостав системы входят (рис.3,4):

•созвездие ИСЗ (космический сегмент);

•сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);

•собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

•Как и система GPS, так и Глонасс состоят из космического сегмента, наземного командно - измерительного комплекса и сегмента потребителей.

© Карасев В.В.

13

НАЗЕМНЫЕ СРЕДСТВА УПРАВЛЕНИЯ РАБОТОЙ СИСТЕМЫ

Навигационные сигналы и сигналы проверки

Станция	Станция пере-
контроля	дачи на борт
	НИСЗ сведений
	о параметрах
	орбиты
Главная станция
	управления

Станция контроля на Гавайских о-вах

Станция контроля на Аляске

Станция контроля на о-ве Гуам

Средства ВМС США

Станция

слежения

Центр проверки работоспособности НИСЗ

	∆ϕDGPS, ∆λDGPS
	Станция
Вычислительный	определения и
центр ВМС США	трансляции
(штат Виржиния)	поправок DGPS

рис.4 Сегменты спутниковой навигационной системы GPS «НАВСТАР»

2.3 Космический сегмент

Глонасс. Орбитальная группировка Глонасс состоит из 24 штатных навигационных космических аппаратов на круговых орбитах с наклонением 64,8о в трёх орбитальных плоскостях по 8 НКА в каждой. (рис.2). Долготы восходящих узлов трёх орбитальных плоскостей различаются номинально на 120о. номинальный период обращения НКА равен 11 ч. 15 мин. 44 с, и, соответственно номинальная высота круговой орбиты составляет 19100 км над поверхностью Земли. В каждой орбитальной плоскости 8 НКА разнесены по аргументу широты номинально через 45о, и аргументы широты 8 НКА в трех орбитальных плоскостях сдвинуты на −+ 15о. за время эксплуатации НКА на орбите (до

5 лет) реальное положение НКА в ОГ могут отличаться от номинальных не более чем на ± 5 о.

рис. 5 Расположение плоскостей орбит GPS

GPS. Орбитальная группировка GPS состоит из 27 спутников (24 основных и 3 резервных), которые обращаются на 6 круговых орбитах высотой примерно 20000 км (рис.4). Плоскости орбит наклонены на угол около 55о к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60о по

6

долготе (см рис. 5). 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 L2только 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 (Рис. 6).

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.

© Карасев В.В.

6

7

Рис. 6.

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 GPSприемнике.

© Карасев В.В.

7

8

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. Поскольку P- код передается на двух частотах (L1 и L2), а C/A-код - на одной (L1), в GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по P- коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду. С 200 г. по решению президента США режим выборочного доступа” SA отменен.

2.4 Сегмент управления GPS.

Рис. 7 Сегмент наземного комплекса управления системы GPS

© Карасев В.В.

8

9

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 КолорадоСпрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн (Рис. 8). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.

Рис.8 Наземные станции слежения за спутниками GPS Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и

периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

© Карасев В.В.

9

10

2.5 СНС Глонасс.

Рис.9 Наземный комплекс управления ГЛОНАСС НКУ содержит следующие взаимосвязанные стационарные элементы:

центр управления системой (ЦУС), командную станцию слежения (КСС), центральный синхронизатор (ЦС), контрольные станции (КС), систему контроля фаз (СКФ), квантовооптические станции (КОС), аппаратуру контроля поля (АКП).

НКУ выполняет следующие функции:

•проведение траекторных измерений для определения, прогнозирования и непрерывного уточнения параметров орбит всех спутников.

•Временные измерения для определения расхождения бортовых шкал времени всех НКА с системной шкалой времени системы, синхронизация БШВ каждого НКА с временной шкалой ЦС и службы единого времени (СЕВ) путём фазирования и коррекции БШВ.

•Формирование массива служебной информации (навигационных сообщений), содержащего спрогнозированные эфемериды, альманах и

© Карасев В.В.

10

11

поправки к БШВ каждого НКА и другие данные, необходимые для формирования навигационных кадров.

•Передача (закладка) массива служебной информации в память бортовой ЭВМ каждого НКА и контроль за его прохождением.

•Контроль по телеметрическим каналам за работой бортовых систем НКА и диагностика их состояния.

•Контроль информации в навигационных сообщениях НКА, приём сигнала вызова НКУ

•Управление полётом спутников и работой их бортовых систем путём выдачи команд управления и передачи на борт прохождения этих данных.

•Контроль характеристик навигационного поля.

•Определения сдвига фазы дальномерного навигационного сигнала НКА по отношению к фазе сигнала ЦС.

•Планирование работы всех технических средств НКУ, автоматизированная обработка и передача данных между элементами НКУ.

© Карасев В.В.

11