Спутниковый сегмент
Этот сегмент называют также «космический сегмент» и «спутниковая подсистема». Номинально сегмент содержит 24 операционных спутника и 3 резервных спутника. Спутники распределены по трем круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находятся по 8 спутников. Плоскости орбит разнесены по прямому восхождению (по долготе) на 120°. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора равен 65°. Высота орбиты над поверхностью Земли - около 19100 километров. Период обращения спутника вокруг Земли равен 11 часам 15 минутам 44 секундам. Орбиты имеют номера 1, 2 и 3. Спутники, находящиеся на первой орбите, имеют номера от 1 до 8, на второй - от 9 до 16, на третьей - от 17 до 24.
В GPS геометрия наблюдений, то есть взаимное расположение спутников и наземных пунктов, повторяется через каждые сутки. В ГЛОНАСС геометрия наблюдений повторяется через каждые 17 витков спутников вокруг Земли. Это происходит примерно через 8 суток, а точнее - через 7 суток 28 часа 27 минут 28 секунд. Такой период обращения спутников ГЛОНАСС, не равный половине периода обращения Земли вокруг оси, то есть, такая высота орбиты, выбраны намеренно. Движение спутников ГЛОНАСС, в отличие от спутников GPS, не подвержено резонансным возмущениям, вызванным нерегулярностями гравитационного поля Земли [13]. Поэтому нет необходимости время от времени корректировать орбиты спутников ГЛОНАСС, как это делают в GPS. Это - одно из преимуществ ГЛОНАСС перед GPS.
1.2. Сегмент управления и контроля
Этот сегмент называют также «подсистема управления и контроля» или «наземный сегмент». Сегмент управления и контроля включает: центральную станцию управления и контроля, центральный синхронизатор, контрольные станции слежения, подсистему контроля фазы, подсистему контроля навигационного поля, а также лазерные станции слежения за спутниками.
Сегмент управления и контроля осуществляет следующие функции: Слежение за спутниками, определение и предсказание орбит спутников. Синхронизацию временных шкал спутников и наземной временной шкалы. Формирование навигационного спутникового сообщения, закладку сообщения в память бортовых компьютеров спутников, контроль передачи этого сообщения. Контроль функционирования спутников. Сравнение фазы колебаний, излучаемых спутниками, с фазой колебаний, генерируемых центральным синхронизатором. Контроль характеристик навигационного поля. Измерение дальностей до спутников лазерными дальномерами. Отметим, что в ГЛОНАСС, в отличие от GPS, измеряют и контролируют не только время, но и фазу (разность фаз) колебаний. Контролируют также характеристики навигационного поля.
Рисунок 1.1 иллюстрирует географическое положение станции сегмента управления и контроля ГЛОНАСС. Принята следующая нумерация: 1. Москва. 2. Санкт-Петербург. 3. Воркута. 4. Якутск. 5. Петропавловск-Камчатский. 6. Уссурийск. 7. Улан-Удэ. 8. Енисейск. Главная станция управления и центральный синхронизатор расположены в Москве.
Хотя территория России очень велика, станции слежения станции закладки информации ГЛОНАСС расположены на небольшой части земной поверхности. Поэтому наибольшую часть времени движения по орбите спутники находятся вне поля зрения станций слежения и станций закладки информации. Это снижает точность эфемерид спутников. Для того, чтобы интерполировать и экстраполировать орбиты спутников, специалисты создали совершенные математические модели, в том числе модели поля силы тяжести на высоте орбит спутников. Но все же эфемериды спутников ГЛОНАСС являются точными только для территории России и имеют меньшую точность для всей остальной поверхности Земли. Ситуацию можно улучшить, если наблюдать спутники ГЛОНАСС со станций слежения, расположенных более или менее равномерно по земной поверхности. При этом целесообразно, как это и делается сейчас, для слежения за спутниками использовать радары и лазерные дальномеры. Необходимо также чаще обновлять эфемеридную информацию в памяти бортовых компьютеров спутников и в навигационном сообщении. Это важно для интеграции ГЛОНАСС в систему глобальной геодезии и навигации.
Рисунок 1.1. Географическое положение сегмента управления и контроля ГЛОНАСС
Центральная станция управления и контроля взаимодействует со всеми элементами ГЛОНАСС. На эту станцию поступает информация из национальной службы эталонной частоты и времени России, из службы определения параметров вращения Земли, а также из службы, наблюдающей за солнечной активностью и за геофизической обстановкой.
Центральный синхронизатор формирует временную шкалу ГЛОНАСС, используя стандарты частоты на водородных мазерах.
Контрольные станции слежения называют также "контрольные станции" и наземные измерительные пункты». Станции слежения определяют параметры орбит спутников ГЛОНАСС, и относительные поправки бортовых временных шкал этих спутников относительно времени ГЛОНАСС. Контрольные станции слежения закладывают навигационное сообщение и управляющие команды в память бортовых компьютеров спутников. Обычно эфемериды обновляют один раз в сутки, но существует возможность делать это дважды в сутки. С помощью радаров измеряют дальности до спутников с ошибкой, не превышающей трех метров, а также измеряют радиальную скорость движения этих спутников.
Подсистема контроля фазы состоит из нескольких специальных навигационных приемников, расположенных на главной станции управления и контроля. Такой приемник сравнивает фазу и частоту колебания, пришедшего со спутника, с фазой и частотой колебания наземного стандарта частоты. Такую процедуру выполняют один раз в сутки.
Подсистема контроля навигационного поля состоит из точных навигационных приемников. Эти приемники расположены на контрольных станциях слежения и установлены на пунктах с известными координатами. Подсистема сравнивает значения полученных навигационных координат с известными значениями координат пунктов и оценивает качество навигационных данных.
Лазерные станции слежения с помощью лазерных дальномеров измеряют дальности до спутников, на которых укреплены призменные отражатели. Это делают для контроля результатов, полученных радарами. Используют два типа лазерных спутниковых дальномеров: ЭТАЛОН с дальностью действия в 20 тысяч километров и МАЙДАНАК с дальностью действия в 40 тысяч километров. Ошибка измерения равна 2 сантиметрам. Одновременно измеряют направления на спутники с ошибкой в 1" — 3".