3. Основные характеристики гссн.

Параметр	ГЛОНАСС	GPS	GALILEO
Число ИСЗ в системе	24 (3 в запасе) Всего 31 КА, используется по целевому назначению 24, временно выведены из строя 2, орбитальный резерв 4, на этапе летных испытаний 1	24 (3 в запасе) Всего 31 КА, используется по целевому назначению 31, временно выведены из строя 0, орбитальный резерв 0, на этапе летных испытаний 0	30 (3 в запасе)
Число орбитальных плоскостей	3	6	3
Количество спутников на орбите	8	4	10
Тип орбиты	круговая	круговая	круговая
Наклон орбиты	64,8°	55°	56°
Период обращения ИСЗ	11ч 15мин 44с	11ч 58мин 00с	14ч 4мин 42с
Высота ИСЗ над поверхностью Земли	19100 км	20180 км	23222 км
Система координат	ПЗ-90	WGS-84	GTRS
Несущие частоты навигационных сигналов, МГц	L1 1,6 ГГц стандартная точность L2 1,2 ГГц высокая точность	L1 1575,42 L2 1227,6 (для военных) L5 1176,4 МГц (последние модели спутников)	1,2-1,6 ГГц
Скорость передачи цифровой информации, бит/с	50	50	500
Срок активного существования	3-5 лет	7-8 лет	Более 12 лет
Размер спутника	8 м	5 м	1,2 м
Вес спутника	1,5 т	1 т	700 кг

4. Подсистемы спутниковых систем.

Выделяют следующие главные подсистемы (сегменты, секторы): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия спутников (космических аппаратов - КА), аппаратуры пользователей (АП).

космический сегмент

сегмент контроля и управления

сегмент пользователя

наземный сегмент

- Наземный сегмент

В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления.

Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса.

Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку.

В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.

Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.

Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.

Подсистема НКУ состоит из:

- станций слежения за КА,

- службы точного времени,

- главной станции с вычислительным центром,

- станций загрузки данных на борт КА.

Спутники GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная информация об орбитах обрабатывается и прогнозируются координаты спутников (эфемериды).

Эфемериды - это точки небесных координат астрономических объектов, вычисленных через равные промежутки времени.

Эти и другие данные с наземных станций загружаются на борт каждого КА.

В число задач ПКУ входят:

— проведение траекторних измерений для определения орбит всех НИСЗ и временных измерений для определения расхождения бортовых шкал времени всех НИСЗ с системным временем;

— предсказание для каждого НИСЗ его будущих эфемерид и ухода бортового времени (бортовых часов);

— мониторинг поля радионавигационных сигналов;

— формирование массива служебной информации с включением в него спрогнозированных эфемерид, альманаха, поправок бортовой шкалы времени и прочих поправок для каждого НИСЗ;

— закладка массива служебной информации в память каждого НИСЗ для модуляции ею навигационных сигналов;

— контроль по телеметрическим каналам за работой систем сети НИСЗ и диагностика их состояния;

— управление по командному каналу полетом всех спутников и ра­ботой их бортовых систем.

Станции слежения предназначены для пассивных траекторных из­мерений орбитальных параметров всех НИСЗ. Станции представляют собой автоматизированные измерительные пункты, данные от которых транслируются в КВЦ. Каждая СС состоит из точного спутникового навигационного приемника, атомного стандарта частоты, датчиков атмосферных параметров и микропроцессорной ЭВМ. Все полученные на СС данные оперативно запоминаются и по запросу КВЦ ретранслируются в него для последующей обработки.

Станция закладки служебной информации осуществляет передачу на борт каждого НИСЗ массива служебной информации, подготовленного в КВЦ. Достоверность закладки контролируется по каналу обратной связи, для чего используются телеметрические слова из кадра сигнала НИСЗ.

Командно-измерительная станция реализует телеметрический контроль за работой бортовых систем НИСЗ, проводит запросные траекторные измерения, в том числе с использованием высокоточных лазерных средств, и обеспечивает командное управление. Станция ведет обмен информацией с КВЦ. С целью увеличения надежности закладки служебной информации, на случай выхода из строя СЗСИ, предусмотрена возможность использования КИС для передачи на борт каждого НИСЗ подготовленного для него в КВЦ массива служебной информации.

Координационно-вычислительный центр организует работу всех средств ПКУ. КВЦ получает всю информацию о спутниках от станций слежения и командно-измерительной станции. В КВЦ на основе этой информации по точным моделям рассчитываются траектории движения всех спутников системы. Точные траектории делятся на эфемеридные данные -набор параметров, позволяющий с требуемой точностью воссоздать траекторию спутника. Высокая точность расчета эфемерид обеспечивается соответствующей точностью измерительных средств, внесением поправок на выявленные методические погрешности и вовлечением в обработку результатов как свежих траекторных измерений, так и накапливаемых за недельный срок. По имеющимся оценкам погрешности предсказания эфемерид на несколько часов не превышают 6 м, а погрешности предсказания сдвига временной шкалы лежат в пределах 8 нс, что дает погрешность местоопределения около 10 м. Эфемеридные данные по специальной радиолинии через СЗСИ передаются на борт навигационных НИСЗ и закладываются в память их бортовых компьютеров. По мере необходимости эфемеридные данные, соответствующие очередному участку аппроксимации траектории, извлекаются из памяти компьютера и поступают в модулятор передатчика спутникового сигнала. КВЦ отслеживает состояние всех спутников системы и в случае выхода из строя какого-либо спут­ника закладывает в состав данных альманаха сообщение о его нерабо­тоспособности. Передаваемые с НИСЗ данные, содержащиеся в нави­гационном сигнале, постоянно контролируются для выявления сбоев.

GPS управляют главная станция на базе ВВС Колорадо-Спрингс и наземные станции в Колорадо-Спрингс, на острове Вознесения, острове Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн, Гавайских островах и др. (Shank, Lavrakas, 1994). Для уточнения эфемерид используются результаты измерений на пунктах международных глобальных сетей, например, таких, как CIGNET и IGS.

Системой ГЛОНАСС управляют станции в Москве, Санткт-Петербурге, Воркуте, Енисейске, Якутске, Улан-Уде, Кятаб, Усурийске, Петропавловск-Камчатск.

- Космический сегмент

Состоит из навигационных спутников и представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.

Подсистема КА состоит из 24 основных и 3 резервных спутников (планируется эту группировку увеличить еще на 18 спутников). Каждый спутник имеет по несколько атомных эталонов частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи радиосигналов, бортовую компьютерную аппаратуру. Размеры спутников с учетом панелей солнечных батарей более 5м. Вес спутника - 1т. Расчетное время существования на орбите 7-8 лет.

КА сохраняет стабильным заданное положение на орбите, принимает и хранит информацию с наземных станций, а также непрерывно передает в аппаратуру пользователей измерительные радиосигналы, данные о точном времени, свои координаты и другие сведения.

Система GPS. Общее количество спутников системы GPS - 24. Они располагаются на круговых орбитах высотой приблизительно 20180 км, имеют период обращения около 12ч и сгруппированы равномерно в шести плоскостях угол наклона которых относительно экваториальной плоскости составляет 55°. Плоскости сдвинуты относительно друг друга по долготе на 60°. таким образом, в каждой плоскости находятся по четыре неравномерно распределенных спутника. Такая конфигурация созвездия приводит к тому, что в любой точке Земного шара одновременно можно принимать сигналы от 5 до 11 спутников. Каждый спутник, имея период обращения, равный половине звездных суток, появляется в одном и том же месте над поверхностью Земли через звездные сутки, равные 23 ч 55 мин 56,6с, что позволяет один раз в сутки обеспечивать закладку данных на каждый спутник. В реальных эксплуатационных условиях закладка информации производится два раза в сутки.

На борту каждого НИСЗ размещаются средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования. После выведения на окончательную круговую орбиту масса спутника составляет около 790 кг, а расчетный период активного существования спутников Блок-11 и GPS-III составляет 7,5-15 лет.

Спутники передают сигналы, содержащие дальномерные коды и служебную информацию. При этом в системе GPS используется принцип кодового разделения сигналов отдельных спутников CDMA (Code Division Multiple Access) - каждый спутник передает только ему свойственный дальномерный код, но все спутники используют единую частоту несущей сигнала: для гражданских пользователей L1 (1575,42МГц), для военных пользователей (1227,6МГц). Дальномерные коды обеспечивают измерение дальностей спутниковыми навигационными приемниками, а служебная информация используется для проведения навигационных расчетов и контроля системы. Содержанием служебной информации являются частотно-временные поправки для данного НИСЗ, его точно рассчитанные координаты на фиксированные моменты времени (эфемериды), относительно грубые данные для расчета координат всех спутников системы (альманах). телеметрическая информация, ключевые слова и другая информация, повышающая точность и надежность навигационного сеанса.

Работа навигационных блоков обеспечивается взаимодействием с бортовым эталоном времени (частоты) и бортовой ЭВМ. Бортовые эталоны времени являются одними из самых сложных и дорогих устройств системы, но именно они во многом определяют уникальные свойства СНС. Согласованные по времени и в пространстве излучаемые сигналы спутников, входящих в ПКА, создают навигационно-временное поле с заданными характеристиками, обеспечивающими возможность решения различных задач потребителями, оснащенными соответствующей НАП.

В ГЛОНАСС также 24 основных и 3 резервных спутника. Масса аппарата -1,5 т, его длина около 8 м, срок активного существования КА 3-5 лет. Запуск спутников идет с космодрома Байконур. НКУ включает Центр управления системой под Москвой (ЦУС), центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным водородным стандартом частоты и времени для синхронизации системы, сеть на территории РФ контрольных станций (КС) - осуществляют сеансы траекторных и временных измерений, собирают телеметрическую информацию о состоянии бортовых систем, обеспечивают закладку на спутники 1 или 2 раза в сутки высокоточных эфемерид и временных поправок; система контроля фаз (СКФ) для синхронизации фаз сигналов, излучаемых всеми спутниками, и определения сдвигов бортовых шкал времени; кванто-оптические станции (КОС) для периодической юстировки радиотехнических каналов измерения дальностей; аппаратура контроля поля (АКП) - представляет собой аппаратуру пользователей, установленную на контрольных станциях, обеспечивает контроль точности измерений. НКУ осуществляет сбор, накопление и обработку траекторной и телеметрической информации обо всех спутниках системы, формирование и выдачу на каждый спутник команд управления и навигационной информации, а также контроль за функционированием системы в целом.

В полностью развернутой системе все спутники находятся на круговых орбитах с наклонением 64,8° и распределены в трех плоскостях по восемь спутников в каждой. Долготы восходящих узлов трех орбитальных плоскостей различаются номинально на 120°. Номинальный период обращения спутников равен 11ч 15 мин 44 с, что соответствует высоте круговой орбиты 19 100 км над земным эллипсоидом. В орбитальных плоскостях восемь спутников равномерно разнесены по аргументу широты на 45°, и аргументы широты всех восьми спутников в каждой плоскости сдвинуты относительно соседней плоскости на ±15°.

Принцип измерений в системе ГЛОНАСС и информационный состав сигнала во многом схожи с системой GPS. Характерным отличием является использование частотного разделения сигналов спутников

FDMA (Frequency Division Multiple Access) - каждый спутник передает сигнал на своей частоте несущей в двух диапазонах: в открытом канале L1 (f_1k= f₁₀ + k∆f₁,. f₁₀ = 1602МГц, ∆f₁= 0,5625МГц; k - номер используемого спутника) и в закрытом канале L2 (f_2k = = f₂₀ + k∆f₂; f₂₀ = 1246 МГц, ∆f₂=0,4375 МГц). С 2005 г. значения номеров спутников лежат в диапазоне -7-4, и за парой спутников, расположенных в одной плоскости диаметрально противоположно, закреплена одна частота. На рис. приведен общий вид созвездий ГЛОНАСС и GPS.

Созвездия GPS (а) и ГЛОНАСС (б)

- Пользовательский сегмент

В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.

Различие используемых спутников

• ГЛОНАСС

Основу спутника «Глонасс-М» составляет цилиндрический гермоконтейнер диаметром 1,350 м, в котором размещаются служебные системы и специальная аппаратура. С выдвинутой (раскрытой) штангой магнитометра его длина составляет 7,840 м. На «нижнем» (в положении штатной ориентации) днище спутника смонтирована платформа с антенно-фидерным устройствами и панелью уголковых отражателей; на «верхнем»- топливные баки и штанга магнитометра. На боковой поверхности гермоконтейнера закреплены два привода системы одноосной ориентации солнечных батарей, два раскрывающихся на орбите радиатора системы терморегулирования, два блока двигателей и датчики ориентации. Питание всех подсистем производится от солнечных батарей, ширина которых в раскрытом виде составляет 7,230 м. Общая масса составляет 1415 (1487) кг. При этом масса конструкции равна всего 237 кг.

В число систем спутника входят: бортовые навигационный передатчик (БНП), хронизатор (БХ) («часы»), управляющий комплекс (БУК), средства заправки и обеспечения параметров среды в гермоконтейнере; системы ориентации и стабилизации (СО), коррекции, электропитания (СЭП), терморегулирования (СТР); элементы конструкции и кабельная сеть. Время активного существования на орбите составляет 3-5 лет.

• GPS

Система GPS последовательно базировалась и базируется на постоянно совершенствуемых навигационных космических аппаратах (НКА) Блок-I, Блок-II, Блок-IIА.

В состав бортового оборудования спутника входят следующие подсистемы: синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые «часы», бортовое вычислительное устройство в составе основной и двух резервных ЭВМ, подсистемы ориентации в процессе наведения и 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.

Опытный Блок-I был сконструирован так, чтобы обеспечивать нормальную работу по определению места в течение 3-4 дней без контакта с землей. Оперативные спутники получили наименование Блок-II, Блок-IIА, Блок-IIR.

Блок-II должен был обеспечивать местоопределение без контакта с землей в течение 14 дней. Блок-IIА должен обеспечивать функционирование системы в течение 180 дней без контакта с землей. 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. В первом случае, через 14 дней погрешности местоопределения могут достигать 425 м, во втором случае, через 180 дней СВО может достичь величины 10 км.

Блок-IIR должен обеспечивать местоопределеиие без контакта с землей по крайней мере в течение 14 дней при работе совместно с НКА Блок-IIA и в течение минимум 180 дней с работающей системой автономной навигации при работе только спутников Блок-IIR.

НКА Блок-IIF предназначены для замены НКА Блок-IIR, предполагают увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование cтpуктуры сигнала и координатно-временного обеспечения НКА.

Различие сигналов

В системе GPS предусмотрено применение двух различающихся кодированных сигналов: кода Р (precision – точный) и С/A (clear acquisition – легко обнаруживаемый).

Оба кода передаются на общей частоте f₁ = 1575.42 МГц (длина волны λ₁=19 см), но двумя несущими, сдвинутыми на λ/2 для удобства их разделения. Сигналы на частоте f₁ обычно называют сигналами L1. Для передачи служебной информации применяется двоичный код D (Date – данные), которым модулируются обе несущие.

Для повышения точности измерений применяется двухчастотный способ измерений. В связи с этим наряду с частотой f1 предусмотрена частота f2=1227.6 МГц (λ₂=24.4 см), которая так же модулируется точным измерительным кодом Р, а также кодом служебной информации D. Сигналы на частоте f2 называют сигналами L₂. В системе ГЛОНАСС также предусмотрено применение двух типов сигналов: сигнал высокой точности и сигнал стандартной точности, передаваемых на различных частотах. В отличие от системы GPS, реализующей кодовое разделение сигналов в системе ГЛОНАСС используется частотное разделение сигналов. Если в системе GPS используются две частоты передачи сигналов, то в системе ГЛОНАСС используются два диапазона частот. По аналогии с системой GPS диапазон частот сигнала стандартной точности называют диапазоном L₁, а диапазон частот высокой точности – L₂.

Различие аппаратуры потребителя

• ГЛОНАСС

Сегмент потребителей включает приемники ГЛОНАСС и сообщество самих пользователей. Навигационная аппаратура потребителя (НАП) принимает сигналы ГЛОНАСС (практически все современные образцы НАП принимают также и сигналы системы GPS), обрабатывает их, измеряет и определяет радионавигационные параметры, вычисляет геоцентрические координаты Х, У, Z и на их основе - геодезические координаты и высоту над опорным эллипсоидом в системе координат ПЗ-90 (возможна также работа в системах WGS-84, СК-42, Гаусса-Крюгера и др.), поправку к местной шкале времени Т относительно системного времени ГЛОНАСС (GPS) и составляющие вектора скорости.

• GPS

Сегмент потpебителей включает приемники GPS и сообщество самих пользователей. Аппаратура потребителя принимает сигналы GPS, обрабатывает их, измеряет радионавигационные параметры и определяет на их основе координаты и составляющие скорости в ГСК и поправку к местной шкале времени ТGPS) относительно системного времени GPS и ее уход, а затем геодезические координаты и высоту над опорным эллипсоидом в системе координат WGS-84 и составляющие вектора скорости. Возможно также определение координат в какой-либо иной системе (Меркатора, Гаусса-Крюгера н т.д.).

Перспективы систем

• ГЛОНАСС

В целях развития системы ГЛОНАСС утверждена федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». Она предусматривает создание глобального навигационного поля для определения координат объектов с высокой степенью точности и достоверности, внедрение спутниковых навигационных технологий в информационные контуры управления движением, повышение уровня безопасности в дорожно-транспортном комплексе страны, значительное снижение эксплуатационных расходов, отказ в перспективе от использования традиционных наземных навигационных радиотехнических средств.

• GPS

Для развития системы GPS предусмотрена программа повышения точности гражданского навигационного сигнала (снимается сигнальный селективный доступ; создания новых навигационных спутников с повышенными тактико-техническими характеристиками; возможности реализации пространственного селективного доступа, которой позволит реализовать, по желанию США, навигационное обеспечение с пониженной точностью в любом районе Земного шара, либо совсем исключить этот район из зоны обслуживания системы GPS; разработки стандартов на систему GPS и принятия их в качестве международных;

• GALILEO

Введение системы Galileo в эксплуатацию планируется в 2020 году. Основными направлениями работ данного проекта являются разработка орбитальной группировки, её развёртывание и построение наземного сегмента.