международного использования. При навигационных определениях с использованием этого кода исключаются ионосферные погрешности. Однако и массовые потребители способны бороться с ионосферными погрешностями, хотя их дальномерный код не излучается в диапазоне L2. Для этого следует во втором диапазоне реализовать бескодовый способ приема сигналов.

Энергетика системы характеризуется эффективной мощностью излучаемого сигнала, которая в направлении на центр Земли равна 25 дБВт, а при углах ±15° от направления на центр Земли - 27 дБВт. Учитывая, что угловое положение и удаленность используемых в данном сеансе спутников от потребителя неодинаковы, мощность сигнала в точке приема на изотропную антенну составляет -156...-161 дБВт. Считается, что потери на пути распространения сигналов составляют -184 дБ. Излучаемые сигналы имеют круговую правостороннюю поляризацию.

Навигационное сообщение передается в виде потока цифровой информации со скоростью 50 символов в секунду. Применяется фазовая манипуляция несущей дальномерным псевдошумовым кодом, период повторения которого составляет 1 мс при символьной частоте 511 кГц, так что за один период повторения формируется 511 символов.

Служебная информация, содержащаяся в навигационном сигнале, включает оперативную и неоперативную части. Оперативная информация относится к характеристикам того спутника, в сигнал которого она заложена; неоперативная — к характеристикам системы в целом. Важно, что несущая частота, дальномерный код и элементы служебной информации формируются от общего бортового эталона частоты.

Полный объем оперативной и неоперативной информации скомпонован в виде суперкадра длительностью 2,5 мин. Суперкадр состоит из 5 кадров по 30 с каждый, причём кадр содержит 15 строк. В каждом кадре оперативная информация, относящаяся к данному спутнику, занимает первые четыре строки, остальные строки с 5-й по 15-ю отведены для неоперативной информации, касающейся системы в целом и очередной группы из пяти НИСЗ (в последнем кадре — из четырех НИСЗ).

Полностью развернутая система «ГЛОНАСС», сеть которой содержит 24 НИСЗ (включая три резервных), образует географически непрерывное радионавигационное поле с возможностью навигационных определений (НО) в любой момент времени. Точность определении координат оценивается погрешностью (предельной) порядка 100 м, точность определения составляющих скорости 15 см /с. Аналогичная погрешность временной привязки 1 мкс. Точностные характеристики системы «ГЛОНАСС» могут быть значительно улучшены при использовании дифференциального режима навигационных определений.

10.4. СПУТНИКОВАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА GPS

148

Идеи использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов в США начали развиваться после запуска в СССР в 1957 году первого ИСЗ. В это время перед Лабораторией Прикладной Физики Университета Джона Гопкинса была поставлена задача слежения за советским ИСЗ. Она решалась посредством приёма его сигнала на наземном пункте с известными координатами, выделения доплеровского сдвига несущей частоты и дальнейшего расчёта параметров движения спутника. Обратная задача расчёта координат приёмника на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ представлялась очевидной и естественной.

На этой основе в 1964 году была создана доплеровская СРНС первого поколения TRANSIT, отцом которой считают профессора Р. Вершнера. Координаты потребителя рассчитывались на основе приёма и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из 6 – 7 НКА.

С разработкой атомных часов в 1960 году стало возможным использовать для целей навигации сеть точно синхронизированных передатчиков, передающих кодированные сигналы. Измерение приёмником соответствующих временных задержек позволяло рассчитать координаты приёмника. Начало реализации этого принципа было положено в 1967 году запуском спутника ВМС США TIMATION-I.

ВВС США в 1964 г. начали программу разработки и испытаний возможностей использования для целей местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми кодами. Свойство корреляционного разделения таких сигналов обусловило возможность использования несколькими передатчиками одной несущей частоты.

В 1973 году программы ВВС и ВМС США были объединены в общую навигационную технологическую программу NAVSTAR GPS. В течение первого этапа программы NAVSTAR проводилась оценка общей концепции, и были разработаны НКА BLOCK I. Второй этап полномасштабной разработки и испытаний начался в 1978 году с запуска первых 4-х НКА. В 1995 году система оказалась практически развёрнутой. На сегодняшний день точность синхронизации возросла с 10-11 до 10-13 и выше. Выросла и высота орбит спутников с 925 км до 20200 км. Изменилась несущая частота передатчиков с 400 до 1227 и 1575 МГц.

Космический сегмент образован ОГ, номинально состоящей из 24 основных и 3 резервных НКА. НКА находятся на 6 круговых орбитах высотой примерно 20200 км, наклонением 55° и равномерно разнесённых по долготе через 60°. В каждой орбитальной плоскости четыре НКА, разнесенных по аргументу широты примерно через 90°.

Система GPS последовательно базируется на постоянно совершенствуемых НКА BLOCK II, BLOCK IIА, BLOCK IIR.

Спутники BLOCK II являются первым конструктивным типом спутников NAVSTAR GPS, разработанных компанией ROCKWELL INTERNATIONAL. Спутники этого класса могут работать до 14 дней без

149

взаимодействия с главной управляющей станции GPS. Девять спутников BLOCK II были запущены в период с февраля 1989 по октябрь 1990 года.

Спутники BLOCK IIA являются спутниками второго поколения разработанной компанией Rockwell International. Они способны работать 180 дней без контактов с НКУ. В течение этого времени снижение требуемой точности оперативно устраняется путём приёма навигационных сообщений, передаваемых с каждого спутника. Запуск спутников этой группы был осуществлен с мыса Канаверел с ноября 1990 по ноябрь 1997 года. На каждом спутнике размещены 2 цезиевых и 2 рубидиевых стандартов частоты.

Спутники BLOCK IIR являются следующим поколением спутников разработанной компанией LOCKHEED MARTIN. Спутники этой серии объединены в сеть для обмена навигационными данными между собой. Такая технология позволяет определять и обновлять ряд параметров их движения без связи с НКУ. Плановый период эксплуатации для спутников такого класса составляет 7.8 лет. На каждом спутнике размещены 3 рубидиевых стандартов частоты. Запуск спутников класса IIR осуществляется с января

1997 года.

Сегмент управления состоит из сети наземных станций измерения, станции управления и станций контроля, расположенных по всему миру: на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс. Главная станция контроля и управления находится на авиабазе Фалкон (Шривер) ВВС США в районе города Колорадо-Спрингс, штат Колорадо. В будущем планируется создание ещё одной станции наблюдения на мысе Канаверел, штат Флорида.

На всех станциях измерения используются приёмники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами всех спутников. Затем информация обрабатывается на главной управляющей станции и используется для обновления эфемерид спутников. Загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов, производится для каждого спутника каждые 24 часа. Мониторинг состояния спутников осуществляется практически непрерывно. За сутки выполняется 70 - 80 контактов с созвездием спутников.

Передатчики НКА GPS излучают навигационные сигналы с правой круговой поляризацией в трёх частотных диапазонах:

1)L5 (E5a) 1164..1189 МГц с центральной частотой 1176,45 МГц,

2)L2 1215..1237 МГц с центральной частотой 1227,60 МГц,

3)L1 1563..1587 МГц с центральной частотой 1575,42 МГц.

Вдиапазоне L5 передается F-код для точной навигации гражданской авиации. Он представляет собой ПСП длиной 4000..10230 бит. Он, как и сигналы GPS во всех диапазонах, модулируется метом относительной фазовой манипуляции с двумя уровнями (ОФМ-2, BPSK). Минимальный уровень этого сигнала, принимаемого на линейно поляризованную антенну с коэффициентом усиления 3 дБ при углах места не более 5°, составляет минус

154 дБВт.

150

Вдиапазоне L2 передаются три составляющие (рис. 10.3):

1)C/A-код (Clear (Coarse) / Acquisition), открытый для мирового сообщества.

Минимальный уровень этого сигнала минус 166 дБВт.

2)P(Y)-код, доступный санкционированным пользователем. Минимальный уровень этого сигнала минус 166 дБВт.

3)M-код, который дополнительно введён США для применения в военных целях. Он передается с более высоким минимальным уровнем, который составляет минус 138 дБВт.

C/A-код (код Голда) передается с тактовой частотой 1,023 МГц, занимает полосу частот 2,046 МГц. Он представляет собой ПСП длительностью 1 мс. (1023 бит).

P-код представляет собой ПСП длительностью 7 суток. Закрытый P(Y)-код передается с тактовой частотой 10,23 МГц, занимает полосу 20,46

МГц. Он представляет собой ПСП длительностью 267 суток (примерно

236·1012 бит).

Вдиапазоне L1 передаются те же три составляющие, но с другими минимальными уровнями: C/A-код - минус 160 дБВт, P(Y)-код - минус 163 дБВт, M-код - минус 138 дБВт.

Таблица 1.1. Среднеквадратические отклонения основных источников определения псевдодальности, м [1]

	Источники ошибок	С/А-код	Р-код
	Ионосфера	7	2,25
	Тропосфера	0,7	0,7
	Многолучёвость	1,2	1,2
	Шумы приёмника	1,5	1,45
	Погрешности координатно-	3,6	3,6
	временного обеспечения НКА
			6,5
	Общая	8,1
	Итого:	22,1	15,7

Последовательность всех охарактеризованных сигналов, кроме P(Y)- кода, образуется сложением по модулю два двух двоичных сигналов: псевдослучайного дальномерного кода и ИП. В составе P(Y)-кода ИП не передаётся.

Передаётся ИП с одинаковой скоростью 50 бит/с. Суперкадр в составе С/А-кода, который содержит альманах, имеет объём 22500 бит (7,5 минут). Суперкадр делится на 25 кадров ёмкостью 1500 бит (30 секунд). Кадр содержит 5 субкадров объёмом по 300 бит. Минимальной структурной единицей ИП является слово ёмкостью 30 бит.

Система GPS модернизируется для дальнейшего улучшения характеристик навигации со 100 до 6 метров и точнее и временной синхронизации в интересах гражданских и военных пользователей.

151

О О О F-код О О О P(Y)-код О О О M-код О О О C/A-код

Рисунок 10.3. Частотный план спутниковой системы GPS

Первым шагом в модернизации системы стало отключение режима селективного доступа. За этим осуществляется целая серия мероприятий, включающих: добавление C/A-кода на частоте L2 и M-кодов на частотах L1, L2 с 2003 года, добавление третьего гражданского сигнала L5 с 2005 года, модернизация наземной сети управления, реализация программы GPS BLOCK III. Три спектрально разделенные гражданские частоты в комбинации с улучшенными характеристиками сигнала значительно уменьшат степень воздействия на систему GPS любых случайных помех.

152