Материал: РНП Конспект Демиденко 2010

106

Информационное сообщение (последовательность) содержит информацию об эфемеридах НКА, системном времени, поведении "часов" НКА, статусе сообщения и

др.

Дальномерная последовательность предназначена для определения в

приемоиндикаторе потребителя псевдодальности и других параметров, которые позволяют определить координаты объекта.

Существует два основных дальномерных кода:

-дальномерный псевдослучайный С/А-код – (Clear (Coarse)/Acquisition) - код свободного доступа;

-дальномерный псевдослучайный Р-код (P – Precise(Protected) ) – защищенный код. Использование соответствующих кодов образует такие возможные режимы

работы аппаратуры потребителей (АП) [9,13,19]:

SPS (Standart Positioning Service) для C/A-кода - обеспечивает гражданских потребителей.

PPS (Precise Positioning Service) для P-кода - обеспечивает доступ для санкционированных потребителей.

Как дальномерные, так и информационные коды формируются в НКА с

помощью чередующихся прямоугольных импульсов (рис.2.9), так называемой М- последовательности, в которых число 0 и 1 (число символов) может отличаться не более чем на один символ, что придает сигналу, при кажущейся хаотичности чередования символов, свойства

широкополосного шума.

Рис.2.9. Однако для различных кодов их длительность различная.

У информационного кода длительность импульса равна 20 мс, а их последовательность формируется с частотой 50 бит/с.

Импульсы С/А-кода формируются с частотой 1,023 МГц, а P-кода – с частотой 10,23 МГц. В этом случае длительность одного импульса (бита) С/А-кода будет

равна: τбит=1/f =1/1,023 МГц= 0,9775 мкс, а для P-кода - один бит равен 0,09775 мкс. На рис.2.10 показан пример сложения С/А кода с информационными

(навигационными данными) кодами и модуляция С/А кодом несущей частоты L1.

Из рисунка видно, что информационный код, формирующийся с частотой 50 бит/с,

обладает длительностью одного бита 20 мс (рис.2.10,а). В 1 мс этого бита (см. рис.2.10,б) «вкладывается» дальномерный С/А код (см.

рис.2.10, в), при этом количество двоичных

псевдослучайных импульсов (бит) 0 или 1 составит: 1мс:0,9775 мкс=1023 . Отсюда также

следует, что длительность С/А кода равна 1000

мкс.

который модулирует частоту L1 1575,42 МГц,

вкладывается без изменения фазы: 1575,42.106 (Гц) х 0,9775. 10-6 (с) =1540

колебаний (волн) (рис.2.10,г). А «длина» бита для L1 равна: 3.108(м/с) х 0,9775. 10-6 (с) = 293,25 метров.

Аналогично рассуждая - для дальномерного Р-кода, у которого длительность

бита псевдослучайной последовательности равна 0,09775 мкс, количество двоичных

107

псевдослучайных импульсов (бит) 0 или 1 составит: 1мс:0,09775 мкс=10230, при этом «длина» бита Р-кода для L1 равна: 3.108(м/с) х 0,09775. 10-6 (с) =29,325 метров.

Также, как и для С/А кода, длительность Р-кода равна 1000 мкс, а длительность 1 бита информационного (навигационного) кода равна 20 мс (см. рис.2.10,а).

Из приведенных выше расчетов видно, что потенциально точность определения места с Р-кодом в десть раз

выше , чем с С/А кодом.

На рис.2.11.показан процесс

модуляции несущих частот L1 и L2 кодовыми сигналами.

Излучаемый сигнал L1 состоит из

двух компонентов, которые находятся Рис.2.11. Модуляция несущих частот по фазе в квадратуре друг к другу

кодированными сигналами (сдвинуты на π/2) для удобства их разделения. Первая компонента представляет собой

радиосигнал, который модулирован двумя двоичными последовательностями (дальномерным псевдослучайным Р-кодом) и информационной

последовательностью передачи данных, складывающимися по модулю 2 (см.

рис.2.11).

Вторая компонента – радиосигналтакже модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный С/А-код и

информационная последовательность), складывающимися по модулю 2.

Сигнал L2 модулирован только P - кодом и обеспечивает доступ для санкционированных потребителей.

Это позволяет им исключить погрешности влияния ионосферы (т.к. используются сигналы на двух частотах). Соотношение погрешностей определения

выходных параметров по C/A-коду и P-коду 10:1. Т.е., использование P-кода

позволяет выполнить измерения с погрешностями, значительно меньшими, чем с C/A-кодом.

Основным навигационным дальномерным псевдослучайным кодом является

точный Р-код (P – Precise).

В распоряжении мирового сообщества находится открытый псевдослучайный С/А код, иногда переводимый как „легкий (грубый) захват”, который сначала

использовался для первого вхождения в режим слежения с последующим переходом к использованию Р-кода.

В целом этот шифр-код содержит 15345000 единичных элементов. Из них

подобраны 1025, которые присваиваются в разном сочетании 24-м НКА на орбитах

(то есть здесь используется кодовый принцип разделения сигналов). Через семь суток шифр-код заменяется (с субботы на воскресенье).

Р-код представляет собой двоичную псевдослучайную последовательность

длиной в 7 суток, с тактовой частотой 10,23 МГц. Длительность закрытого Р(Y)-код составляет 267 суток, формируется, в соответствии со специальными закрытыми документами (следует отметить, что, кроме вышеописанных, существует также Y- код, который образуется путем шифрования точного кода. Очевидно, что применение алгоритмов шифрования является прерогативой специальных ведомств).

2.3.1.Навигационное сообщение

Внавигационном сообщении информационной последовательности GPS содержится информация об эфемеридах НКА, позволяющих рассчитать их координаты и составляющие скорости, альманах созвездия НКА, частотно-

108

временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры НКА и др.

Эта информация используется в аппаратуре потребителя при решении навигационно-временной задачи по определению координат, скорости и временной

поправки к местной шкале времени.

3.Глобальная спутниковая система GPS

3.1. Назначение, общая характеристика и состав системы

Глобальная спутниковая система GPS (Global Position System) или «Navstar» (Navigational Satellite Providing Time and Range) предназначена для высокоточного определения в пространстве трех координат места, составляющих вектора скорости

и времени различных подвижных объектов.

Система разработана по заказу и находится под управлением МО США.

Министерство Обороны США первоначально разрабатывало систему глобального позиционирования в 70-х годах только как спутниковую навигационную систему для решения военных задач. В начале 80-х федеральная комиссия по

радио- и навигационному планированию провела объединение разработок

Министерства Обороны и Министерства Транспорта в области дальнейшего

преобразования системы в глобальный инструмент для местоопределения,

навигации и синхронизации времени (PNT — positioning, navigation, and timing) [9]

Глобальная навигационная система состоит из трех главных сегментов:

космического сегмента, берегового сегмента контроля и управления, и сегмента

потребителей .

Космическим сегментом и сегментами контроля и управления управляют Вооруженные силы США, а также космическое командование Военно-Воздушных сил.

В основном, сегмент контроля и управления поддерживает целостность всех

спутников и данные, которые они передают.

Космический сегмент состоит из созвездия спутников, которые в находятся на орбите, включая эксплуатационные, резервные и неоперативные модули (спутники).

Потребительский сегмент - это все пользователи, которые приобрели любое из множества коммерчески доступных приемников.

3.1.1. Космический сегмент

Космический сегмент состоит из полного созвездия GPS спутников,

находящихся на орбите вокруг земного шара.

Период вращения спутников (орбитальный период) составляет приблизительно 12 часов, благодаря чему каждые сутки через 23 ч 55 мин 56,6 с спутник оказывается

дважды над одной и той же точкой земной поверхности (ежедневно на 4 мин 3,4 с раньше).

Космический сегмент образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных навигационных космических аппаратов (НКА) и от 3-х до 6- ти резервных НКА. НКА находятся на шести круговых орбитах высотой примерно 20200

км, с наклонением к экватору 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. В состав бортового оборудования НКА входят следующие подсистемы:

синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые "часы" (на НКА Блок-ІІ используются два рубидиевых со стабильностью 5·10-13 и два цезиевых стандарта частоты со стабильностью 2·10-13), бортовое вычислительное устройство

109

в составе основной и двух резервных ЭВМ, подсистемы ориентации в процессе наведения на орбите, телеметрии, приема команд и ретрансляции сигналов

наземного комплекса управления, терморегулирования и электропитания. Антенная система в линии передачи данных использует конические и

спирально-конические антенны. Для передачи навигационных сигналов используются фазированные антенные решетки из спиральных излучающих элементов.

На НКА имеются также двигатели для коррекции орбиты и двигатели системы ориентации. Ориентация в пространстве осуществляется с помощью системы

специальных датчиков. Подсистема телеметрии включает радиолинии передачи данных о состоянии бортовой аппаратуры в сегмент управления. По этим же линиям с Земли поступают поправки к эфемеридам и показаниям бортовых "часов".

Для точного определения орбит НКА используется запросный метод. По соответствующим измерениям задержки этих сигналов осуществляется точное

определение параметров орбит и параметров движения НКА.

Опытные НКА (Блок-I) обеспечивали нормальную работу по определению места в течение 3 - 4 дней без контакта с Землей.

Оперативные, усовершенствованные, НКА получили наименование Блок-ІІ, Блок-ІІА, Блок-IIR.

НКА Блок-ІІ обеспечивал местоопределение без контакта с Землей в течение 14 дней, а НКА Блок-ІІR - в течение 180 дней.

Повышение автономности работы достигается за счет прогнозирования и

компенсации погрешностей координатно-временного обеспечения НКА на коротком

и длительном интервалах работы, обеспечиваемых за счет записи большого количества данных в памяти бортового компьютера НКА.

На бортах НКА Блок-IIR размещаются средства межспутниковой связи, обмена данными и измерения взаимных дальностей, позволяющие проводить автономную синхронизацию "часов" НКА и автономное уточнение параметров орбит. Именно эти средства предназначены для обеспечения автономной работы СРНС в течение 180 дней без существенного ухудшения точности определения координат (сферическая

вероятностная ошибка - 16 м), удовлетворяющие предъявляемым требованиям по

устойчивости функционирования. Эта способность может быть реализована лишь после запуска необходимого числа НКА Блок-IIR.

НКА Блок-ІІF предназначены для замены НКА Блок-IIR, предполагают

увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование структуры

сигнала и координатно-временного обеспечения НКА.

Подсистемы терморегулирования включают теплоотводящие панели и электронагревательные элементы.

Энергопитание осуществляется от панелей солнечных батарей. В период

прохождения через тень Земли применяются никель-кадмиевые аккумуляторы.

3.1.2. Сегмент управления

Сегмент управления состоит из сети наземных станций слежения, расположенных по всему миру. Сеть включает главную (ведущую) станцию (ГС),

контрольные станции (КС) или станции слежения (СС) и три земные станции ввода данных на НКА. Главная станция контроля и управления находится на авиабазе

Фалкон ВВС США в районе г. Колорадо-Спрингс, штат Колорадо.

КС расположены сравнительно равномерно по земному шару вблизи экватора,

что создает благоприятные условия для наблюдений НКА. В случае некоторого критического сбоя в системе есть также два поста управления, дублирующих

110

центральный пост управления (один из них расположенный в Саннивейле, Калифорния, и другой в Роквилле, Мэриленд).

Стационарные контрольные посты – станции слежения - пассивно сопровождают все спутники GPS (видимые ими в любой момент времени), принимают от них

сигналы и осуществляют глобальной навигационной системы GPS специальные прецизионные измерения дальности до НКА. Затем эта информация передается на центральный пост управления в Колорадо-Спрингс через безопасный канал связи

DSCS (Defense Satellite Communication System - защищенный канал спутниковой связи) (см. рис.3.4). Главная станция осуществляет сбор измерений от всех КС. Там

все измерения обрабатываются. По ним осуществляются точные расчеты параметров орбит, ионосферной модели и корректирующих поправок для бортовых часов, которые с главной станции через земные станции связи (атолл Диего-Гарсия,

о. Вознесения, атолл Кваджелейн) совместно с данными обработки метеорологической информации, позволяющей уточнить параметры модели

тропосферы, передаются на борт каждого НКА. Производится также мониторинг состояния НКА и управление их работой.

Основу ГС составляет центр управления с вычислительным комплексом

(координационно-вычислительный центр) и средства передачи данных на земную станцию связи с НКА (станция закладки служебной информации [18,19]). Канал "Земля - НКА" использует частоту 2227,5 МГц; канал "НКА - Земля" использует частоту 1783,74 МГц [9].

Сегмент управления устанавливает шкалу времени GPS, которая привязана к

шкале времени UTC (шкала Универсального координированного времени),

поддерживаемой Военно-морской обсерваторией США. Начало отсчета времени установлено в полночь с 5.1. на 6.1.1980 г. Самой крупной единицей времени GPS является одна неделя, которая состоит из 604800 с. Время GPS может отличаться от времени UTC, поскольку первое является непрерывным, а второе может корректироваться на целое число секунд. Между ними имеется также некоторое постоянно растущее расхождение. Поэтому ГС контролирует шкалу времени GPS с тем, чтобы она не уходила от UTC больше, чем на одну 1 мкс.

Передаваемые с НКА навигационные данные содержат информацию о

расхождениях шкал времени. Точность этих данных такова, чтобы точность алгоритмической привязки шкалы времени GPS к UTC находилась в пределах 90 нс.

3.1.3. Сегмент потребителей

Сегмент потребителей включает приемники (аппаратуру потребителей - АП) GPS и сообщество самих пользователей.

АП принимает сигналы GPS, обрабатывает их, измеряет радионавигационные

параметры (псевдодальность и приращение псевдодальности), определяет на их

основе координаты и составляющие скорости в геоцентрической системе координат, поправку к местной шкале времени T'GPS относительно системного времени GPS и ее уход, а затем геодезические координаты и высоту над опорным эллипсоидом в

системе координат WGS-84 (φ, λ, H) и составляющие вектора скорости (VN ,VE , VH). Возможно также определение координат в какой-либо иной системе, например -

Меркатора, Гаусса-Крюгера и т.д.

АП производится для навигации подвижных объектов (самолетов, вертолетов,

морских и речных судов, автотранспорта), для определения координат при

геодезических и землеустроительных работах, для синхронизации систем связи и

т.д. Конструкция АП существенно зависит от назначения. Ее стоимость находится в диапазоне от ста до нескольких десятков тысяч долл. США [25].