Состав системы gps

Система GPS представлена тремя сегментами: космический сегмент (система искусственных спутников Земли), сегмент управления и контроля (сеть наземных станций слежения и управления), пользовательский сегмент (GPS-приемники).

Космический сегмент состоит на сегодняшний день из 28 спутников, которые обращаются по 6 орбитам. Плоскости орбит наклонены на угол около 55⁰ к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60⁰ по долготе. Радиусы орбит составляют около (17 000 км, 20200 км) 26 тыс. км, а период обращения составляет приблизительно 11 часов 58 минут (скорость спутников составляет примерно 3 км/с).

На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты, солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер. Частота колебаний стандартов времени составляет 10,23 МГц. Из этих колебаний путем умножения частоты, деления или преобразования гармонических колебаний в кодовый сигнал получают все остальные сигналы спутника - несущие и модулирующие (кодирующие). Спутник имеет передатчик и антенну для передачи сигнала пользователю системы.

Известны три класса спутников: Block I, Block II и Block IIR. Спутники Block I каждый весом в 845 килограммов, размеров около 5 м запущены с 1978 по 1985 год с базы военно-воздушных сил в Калифорнии. Заложенная в конструкцию продолжительность жизни спутника составляла 4.5 года. Некоторые спутники функционировали почти в три раза дольше. Угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора у спутников этого класса составляла 63⁰.

Спутники серии Block II были предназначены для создания операционного созвездия. Первый спутник этой серии был запущен 4 февраля 1989 года с военно-воздушной базы Мыс Канавералл. Продолжительности жизни этих спутников составляла 6-10 лет. Именно на спутниках этой серии было введено разделение сигнала по коду C/A и P.

Спутники класса Block IIR, практически полностью заменили, ранее запущенные спутники. Буква “R” означает модификацию или замену. На борту спутников этой серии установлены водородные мазеры взамен цезиевых и рубидиевых стандартов, установленных на спутниках предшествующих классов. Масса спутников около 2-х тонн. На спутниках этого класса сигнал еще более защищен от несанкционированного пользователя.

Предающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц (частоту L1 получают умножением на 154, L2 – на 120). Перед этим сигналы модулируются псевдослучайными цифровыми последовательностями - псевдокодом (PRN - pseudo-random code). Причем частота L1 моделируется двумя видами кода: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 – только P- кодом.

Код C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (чипов) 1,023 МГц и период повторения 0,001 с., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. При этом точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока. Наблюдения в C/A-коде называют Standard Positioning Service (SPS) – стандартной службой позиционирования.

Код P (Protected Precision?) имеет частоту следования импульсов 10,23 МГц и период повторения 7 суток. Раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Всей системе присущ весь P-код в целом. Длительность P-кода системы равна 266,4 суток. Весь P-код системы разделен на недельные интервалы. Каждый интервал в данную эпоху приписан конкретному спутнику. Поэтому изначально этим кодом могли пользоваться только авторизованные пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Американское оборонное ведомство установило дополнительную защиту P-кода – режим AS (Anti Spoofing). При включении этого режима производится дополнительное кодирование P-кода, в результате получается Y-кода. Расшифровать Y-код можно только с помощью криптографического ключа, представляющего собой микросхему, устанавливаемую в GPS-приемники. Наблюдения в P-коде называют Precise Positioning Service (PPS) – служба определения точного местоположения.

Для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями применяется режим SA (Selective Availability – выборочного доступа). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах спутников, что вызывает снижение точности гражданских GPS-приемников более чем в 10 раз по сравнению с военными и составляет около 50-150 м. однако в настоящее время этот режим не применяется (см. ранее).

Поскольку P-код передается на двух частотах (L1 и L2), а C/A-код – на одной, то в GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала.

Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением (navigation massage), в котором содержатся данные об орбитах спутников, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени. Сообщение содержит информацию в объеме 1500 бит передается за 30 секунд. Сообщение содержит не всю информацию, например альманах, передается в нескольких сообщениях. Сообщение содержит 5 кадров – subframes). Каждый кадр транслируется в течение 6 секунд и содержит 10 слов по 30 бит. Кадр начинается с телеметрического слова (telemetry word – TLM), которое содержит синхронизирующий формат и диагностическое сообщение о статусе спутника и системы в целом. Далее идет ключевое слово hand-over word (HOW) - временная метка.

Первый кадр содержит параметры часов спутника (поправка и ход часов спутника относительно GPST) и коэффициенты модели ионосферы. Информацию о параметрах модели ионосферы используют только при работе с одночастотными приемниками. Если есть двухчастотный приемник, то применяют дисперсионный способ.

Второй и третий кадры содержат эфемериды⁴ спутника, транслирующего данное сообщение. Хранящиеся в памяти бортовых компьютеров и транслируемые широковещательные эфемериды в момент их трансляции устаревают, поэтому транслируемые эфемериды – это результат экстраполяции. По этой же причине эфемериды закладывают в память бортовых компьютеров спутников как можно чаще.

Четвертый кадр зарезервирован для передачи служебной информации. Приемники гражданских пользователей не имеют возможности регистрации этой информации.

Пятый кадр содержит альманах спутников и информацию о состоянии системы. Альманах – это приближенные эфемериды спутников системы и данные о здоровье каждого спутника. Каждый спутник каждые 12,5 минут транслирует информацию о созвездии спутников. Чтобы получить альманах до начала наблюдений и использовать эти данные на этапе планирования необходимо выставить приемник па любое открытое место, подержать его там включенным минут 15-20, выключить и перекачать данные на офисный компьютер. В процессе наблюдений свежий альманах получают без дополнительных затрат времени.

Кодирование радиосигналов позволяет: обеспечить возможность синхронизации сигналов спутника и приемника; создать наилучшие условия для различения сигнала приемником на фоне шумов, в силу свойств псевдослучайных кодов; реализовать режим ограниченного доступа к GPS.

Сегмент управления и контроля (Operational control System (OCS) состоит из главной станции управления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), пяти станций слежения, расположенных на территории американских военных базах, расположенных на Гавайских островах, островах вознесения, Диего Гарсия, Кваджелейн и Колорадо – Спрингс, а также трех станций закладок: острова Вознесения, Диего Гарсия, Кваджелейн и сеть государственных и частных станций слежения за спутниками, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траектории движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и примерно каждый час передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения. Для этого используют линию связи в диапазоне0 от 2,3 до 3,7 ГГц. Если закладка новых эфемерид приостановлена, то спутник будет транслировать стары эфемериды еще 14 суток. Более точную информацию получают из результатов наблюдений спутников на контрольных пунктах других сетей. Более глобальная и точная сеть – Корпоративная 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 широким массам потребителей (например через Интернет), однако получить их можно только по прошествии некоторого времени после наблюдений. Поэтому их используют, когда нужна наивысшая точность результатов, а задержка в их получении особой роли не играет.

GPS-приемник принимая сигнал, декодирует его и полученный код сравнивает с аналогичным кодом, генерируемым самим приемником. Это позволяет определить задержку распространения сигнала и вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника приемник переходит в режим слежения, поддерживая синхронизм принимаемого и опорного сигнала. Сложная структура сигнала, предаваемого спутниками, обуславливает многообразие способов его обработки и наблюдения. Синхронизация может проводиться по C/A-коду (тогда приемник называется одночастотным), по P-коду (приемник называется двухчастотным), по C/A-коду и фазе несущего сигнала, по P-коду и фазе несущего сигнала. Фазовые наблюдения производятся для повышения точности измерений. Поскольку период несущей частоты в сотни (для P-кода) и тысячи (для C/A-кода) раз меньше периодов кодовых последовательностей, точность сравнения значительно повышается.

На точность определения координат оказывают влияние различные ошибки.

Ошибки неточного определения времени, вызываемые погрешностью шкалы времени аппаратуры спутника, которая приводит возникновение систематической ошибки определения координат около 0,6 м.

Ошибки вычисления орбит появляются вследствие неточности прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых приемником. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0,6 м.

Инструментальная ошибка приемника возникает вследствие наличия шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность сравнения принятого и опорного сигналов. Данная погрешность приводит к возникновению координатной ошибки около 1,2 м.

Многопутность распространения сигнала обусловлена вторичным отражением сигнала спутника от крупных зданий, расположенных недалеко от приемника. В следствии интерференции измеренное расстояние оказывается больше действительного примерно на 2 м.

Ионосферные задержки сигнала, вызываемые свободными электронами ионосферы (на высоте 50-500 км), прямо пропорциональны концентрации электронов и обратно пропорциональны квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации ошибки используется метод двухчастных измерений на частотах L1 и L2. частично погрешность можно рассчитать аналитически на основе информации навигационного сообщения, при этом остаточная погрешность может составить 10 м.

Топосферные задержки сигнала (на высоте 8-13 км) могут зависеть от метеусловий (даления, температуры, влажности), высоты спутника над горизонтом. Расчет погрешности производится по навигационной информации, которая содержит специальные коэффициенты для расчетов. Топосферные задержки сигнала вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.

Геометрическое расположение спутников может вызывать погрешности псевдодальности. Для определения суммарной ошибки используется специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который домножают рассчитанные ошибки. Величина коэффициента зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам.