3. Сегмент управления системы gps

СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

GPS состоит из трех сегментов (segments): из космического (space), то есть спутникового сегмента, из сегмента управления и контроля и из сегмента пользователя. Здесь и далее использован термин «сегмент», хотя можно использовать и другой термин, например «подсистема». Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в данную эпоху спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя - это совокупность спутниковых приемников и программного обеспечения, находящихся в распоряжении пользователей. Пользователя системы в первую очередь интересует его собственный сегмент, то есть имеющиеся у него приемники, а также спутниковый сегмент, в значительной мере обеспечивающий достоверность результатов. Вместе с тем действия сегмента управления и контроля иногда оказывают критическое влияние на полученные пользователем результаты. Были случаи, когда результаты получались абсурдными: например, высота пункта, расположенного на равнине, оказывалась такой, как будто он находится в высокогорье, либо в глубочайшей впадине. Пользователь не может контролировать систему и воздействовать на нее, но он обязан выявлять сбои в ее работе и на этапе обработки отсекать ложные данные и результаты.

2.1. Спутниковый сегмент

Номинально в каждую эпоху имеется 24 работающих (здоровых - healthy) спутника системы. Спутники распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится 4 спутника. Плоскости орбит разнесены по прямому восхождению на 60°. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53°. Именно таков угол наклона i для спутников GPS. Расстояние спутников от поверхности Земли составляет 20200 км. При этом период обращения равен половине звездных суток. Наблюдателю это удобно. Если сегодня оказалось, что в такой-то интервал времени спутник занимал такое-то видимое с данного пункта положение, то завтра примерно в тот же интервал времени все повторится. Повторители геометрия наблюдений, то есть PDOP. Следовательно, можно планировать наблюдения на несколько суток вперед с точностью до нескольких минут. Помешать этому может только резкая корректировка орбит спутников или переход какого-либо из них из состояния здорового в состояние больного (unhealthy) или наоборот.

Командование GPS меняет статус спутников: корректирует орбиты, переводит спутник из состояния здорового в состояние больного, отключает операционные спутники, включает резервные спутники. На орбитах находятся еще три резервных спутника, которые иногда включают. Часто имеется не 24, а 25 и более операционных спутника. В резерве всегда держат несколько готовых к запуску спутников.

2.2. Сегмент управления и контроля

Этот сегмент называют также операционной системой управления и контроля - Operational Control System (OCS). Основными задачами сегмента является слежение за спутниками для определения их орбит и параметров хода часов спутников относительно GPST, прогноз эфемерид спутников, временная синхронизация часов спутников, загрузка навигационного сообщения на спутники. Существует также много других задач, таких, например, как обеспечение запусков новых спутников.

Первоначально главная станция управления и контроля располагалась в Вандерберге, Калифорния. Затем ее перевели в объединенный центр космических исследований - Consolidated Space Operations Center - CSOC. Центр расположен на базе военно-воздушных сил США в Фальконе, Колорадо Спрингс, штат Колорадо. Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения за спутниками системы. Используя фильтр Калмана, вычисляют и предсказывают эфемериды спутников, а также параметры хода часов спутников. Затем эти данные передают на одну из трех наземных станций закладки информации, каждая из которых совмещена со станцией слежения за спутниками. Станции закладки информации закладывают информацию в память бортовых компьютеров спутников. Делают это примерно каждый час. На главной станции находятся цезиевые стандарты частоты и времени, хранящие GPST. В задачи главной станции входит также контроль работоспособности спутников и системы в целом.

Имеется пять станций слежения за спутниками системы. Они расположены на Гавайях, в Колорадо Спрингс (США, совпадает с главной станцией системы), на острове Асунсьон в южной части Атлантического океана, на острове Диего Гарсия в Индийском океане и на острове Кваджалейн в южной части Тихого океана. Каждая из этих станций оборудована высокоточным цезиевым стандартом частоты и Р-кодовым (см. раздел 7.3.3) приемником. Приемник непрерывно, каждые полторы секунды, измеряет псевдодальности до всех находящихся над горизонтом спутников. В псевдодальности вводят поправки за задержки сигнала в ионосфере и нейтральной атмосфере. Затем данные сглаживают на интервалах в пятнадцать минут и передают предварительно обработанную таким образом информацию на главную станцию управления и контроля.

Эту сеть из пяти станций используют для создания широковещательных эфемерид и для определения параметров хода часов спутников. Именно эту информацию пользователь получает из спутникового сообщения. Более точную информацию, но с запаздыванием, получают из результатов наблюдений спутников на контрольных пунктах других сетей. Гораздо более глобальная и точная сеть - это Кооперативная международная сеть GPS - Cooperative International GPS Network (CIGNET), управляемая национальной геодезической службой (NGS) США. Координаты станций этой сети определены методом РСДБ. Полученные на этой сети эфемериды спутников называют точными. Они доступны, например, через INTERNET. Подчеркнем еще раз, что получить их можно только по прошествии некоторого времени после наблюдений. Следовательно, их используют, когда нужна наивысшая точность результатов, а задержка в их получении особой роли не играет.

В сегмент управления и контроля входят три станции закладки информации, которые называют также наземными контрольными станциями. Они совмещены со станциями слежения на островах Асунсьон, Диего Гарсия и Кваджалейн. Каждая такая станция содержит аппаратуру связи со спутниками и передающую антенну. Эти станции по спутниковым линиям связи получают с главной станции управления и контроля информацию об эфемеридах спутников и параметрах хода их часов. Эту информацию станции закладывают в память бортовых компьютеров спутников примерно каждый час. Для этого используют линию связи в диапазоне от 2,3 до 3,7 ГГц. Если по какой-либо причине закладка новых эфемерид приостановлена, то спутник транслирует старые эфемериды еще в течение 14 суток. Поскольку такие эфемериды являются результатом экстраполяции, то ошибка их постепенно увеличивается с 10 до 200 метров.