2.14. Системы космического базирования: спутниковые радионавигационные

системы “Цикада” и TRANSIT

Глобальная, низкоорбитальная спутниковая радионавигационная система “Цикада” относится к навигационным системам первого поколения, сдана в эксплуатацию в 1979 г. Система изначально создавалась для навигационного обеспечения военных потребителей; с 1990 года открыта для гражданского использования. Предназначена для определения координат места пользователей в любом районе земного шара, независимо от времени года, суток и метеоусловий. Состав системы - 4 космических аппарата, находящихся на круговых орбитах на высоте 1000 км с углом наклонения орбиты 83. Позволяет потребителю в среднем каждые полтора-два часа входить в радиоконтакт с одним из космических аппаратов и определять координаты своего места со среднеквадратической погрешностью в 80 м, при продолжительности навигационного сеанса до 5 - 6 мин.

“Цикада” использует доплеровский принцип определения места, в соответствии с которым в течение нескольких минут определяется доплеровский сдвиг высокостабильного сигнала (а с ним и радиальная скорость космического аппарата), по которой затем вычисляются координаты определяющегося объекта.

Дооснащение системы аппаратурой обнаружения терпящих бедствие (COSPAS – Space System for Search of Vessels in Distress) позволило обнаруживать объекты, излучающие сигналы бедствия на частотах 121, 5 и 406 МГц. Затем, эти сигналы ретранслируются на специальные наземные станции, где производится вычисление координат местоположения аварийных объектов (морских, воздушных судов и т.д.). Совместно с американо-франко-канадской системой поиска (SARSAT – Searth and Rescue Satellite-aided Tracking) она образует единую службу поиска и спасения – COSPAS – SARSAT, на счету у которой уже тысячи спасенных жизней.

В настоящее время система “Цикада” имеет ограниченное применение для навигации и в связи со все расширяющимся использованием спутниковых радионавигационных систем второго поколения GLONASS и GPS дальнейшее ее использование гражданскими потребителями, для целей навигации, не планируется.

Аналогом системы “Цикада” является система TRANSIT, созданная США для

обеспечения навигационного сопровождения первого поколения атомных подводных ракетоносцев. Для коммерческого использования эта система была предоставлена в 1967 г., причем число гражданских потребителей вскоре значительно превысило число военных. Координаты потребителя рассчитывались на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из спутников, который находится в зоне видимости примерно 40 мин, что позволяло получить достаточно высокую точность определения координат для медленно движущихся (до 100 м) и стационарных объектов (единицы метров при геодезических работах). К настоящему времени используется лишь для проведения исследований ионосферы.

2.15. Системы космического базирования: спутниковая радионавигационная

система GPS

В спутниковых радионавигационных системах 1-го поколения “TRANSIT” (США) и «Цикада» (Российская федерация) орбитальная группировка состояла из относительно небольшого числа космических аппаратов (“TRANSIT” — 10, «Цикада» — 4). Все эти системы базировались на низких околополярных орбитах (высотой 1000 км над поверхностью Земли) и использовались для навигации военных и гражданских морских судов. Погрешность местоопределения движущегося судна по навигационным сигналам этих спутников составляла 70—100 м и не удовлетворяла требованиям всех групп потенциальных потребителей, особенно авиацию. К тому же приемная аппаратура была достаточно сложной, а число каналов приема не превышало двух.

Но главным недостатком систем 1-го поколения было отсутствие непрерывного глобального покрытия. Спутники на низких околополярных орбитах не позволяли сократить перерывы в связи: длительность последних в экваториальной зоне составляла около 2 ч, а в приполярных районах — 0,5 ч. Время, в течение которого потребитель мог «обслуживаться», т.е. время нахождения в зоне радиовидимости низкоорбитального космического аппарата, не превышало 15 мин.

Опыт, накопленный при эксплуатации таких систем, кардинально изменил подходы к проектированию систем следующего поколения. Главным требованием к ним стало обеспечение глобальной оперативной точной навигации для неограниченного числа военных и гражданских потребителей, в первую очередь для подвижных объектов (автомобильных, железнодорожных, морских, воздушных). Это стало возможным благодаря использованию космических аппаратов на средневысотных орбитах и, безусловно, увеличению числа навигационных спутников в орбитальной группировке до 24.

В США к разработке национальной спутниковой сети определения координат в режиме реального времени NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System), впоследствии называемой просто GPS, приступили в 1973 году. Первая штатная орбитальная группировка этой системы разворачивалась с июня 1989 года по март 1994 года. На орбиту были выведены 24 спутника Block II. Каждый из них излучает навигационный сигнал, который зашифрован двумя видами кодов. Первый — «грубый» код C/A (Coarse Acquisition code), передается на частоте L1 (1575,42 МГц) и используется в невоенных целях. Точность «гражданского» сигнала преднамеренно ухудшалась с помощью программы так называемого «избирательного доступа» (Selective Availability), поэтому пользователи получали пространственные координаты с серьезной погрешностью (около 100 м). Второй — точный код P (Precision code); передается на частоте L2 (1227,60 МГц) и обеспечивает более точное вычисление координат, но доступен только соответствующим силовым структурам и Министерству обороны США. Окончательно GPS была введена в эксплуатацию в 1995 году. Таким образом, российская и американская системы спутниковой навигации начали действовать практически одновременно. Вплоть до 1995 года между Россией и США наблюдался полный паритет в развитии средств космической навигации. Однако, в дальнейшем Соединенные штаты предприняли ряд последовательных шагов, направленных на развитие рынка навигационного оборудования и услуг как у себя в стране, так и за ее пределами, что позволило системе GPS занять ведущие позиции на рынке спутниковых технологий А 1 мая 2000 года президент США сообщил о прекращении намеренного ухудшения точности сигналов NAVSTAR GPS на частоте L1. Это дало возможность пользователям определять свое местоположение, в горизонтальной плоскости, с точностью до нескольких метров.

Общемировое количество проданных комплектов навигационной аппаратуры GPS уже превысило 2 млн. Развитие рынка коммерческих услуг в сфере глобального позиционирования позволило США существенно сократить бюджетные расходы на поддержание NAVSTAR GPS путем введения специальных сборов с производителей абонентского оборудования. При этом США неоднократно подтверждали свою позицию в отношении бесплатного гражданского, коммерческого и научного использования сигналов GPS во всем мире. За использование системы гражданскими потребителями несет ответственность Министерство транспорта Соединенных штатов Америки.

Ожидаемое % распределение пользователей спутниковыми технологиями (и не только на основе системы GPS) к 2010 году, показано на рис. 32.

Сегодня орбитальная группировка GPS насчитывает 28 космических аппаратов, из которых 24 рабочих и 4- резервных на круговых орбитах, с наклонением 55º в шести орбитальных плоскостях по четыре действующих спутника в каждой. Из любой точки земного шара доступны для наблюдения по крайней мере четыре навигационных спутника.

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1 = 1575, 42 мГц и L2 = 1227,6 мГц. Перед этим сигналы модулируются так называемыми псевдослучайными цифровыми последовательностями – псевдослучайными кодами (точнее, эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем, частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A кодом (Clear(Coarse)/Acquisition) - код свободного доступа, находящийся в распоряжении мирового сообщества) и защищенным P-кодом (Protected - код санкционированного доступа), а частота L2 только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах навигационных спутников, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени.

Все навигационные спутники GPS используют одни и те же частоты, но каждый свои коды, что позволяет надежно разделять сигналы различных спутников между собой, т.е. здесь используется кодовый принцип разделения сигналов.

Кодирование (модулирование) излучаемого радиосигнала навигационного спутника, преследует несколько целей:

- обеспечение возможности синхронизации сигналов навигационного спутника и приемника;

- создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (так как псевдослучайные коды обладают такими свойствами);

- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы

С целью преднамеренного снижения точности определения координат для С/А-кода ранее был специальный режим селективного доступа S/A (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводилась ложная информация о поправках к системному времени и орбитах навигационных спутников, что приводило к снижению точности навигационных определений примерно в три раза.

Но, как говорилось ранее, с 1 мая 2000 года США отменили "режим селективного доступа" в сигналах GPS для гражданских пользователей, искусственно ограничивавших точность определения координат обычными (не военными) GPS приемниками примерно до 50-100 м. С этого момента их точность стала лучше 10м! Это видно и на индикаторах самих приемников - они теперь показывают точность 5-6 м.

Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками (каналами), что позволяет отслеживать практически все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта (потребителя), проводящего измерения координат. Если каналов меньше чем наблюдаемых спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное их сочетание для объекта. Скорость обновления навигационных данных – 1 сек. Время обнаружения спутников зависит от числа одновременно наблюдаемых космических аппаратов и режима определения местоположения.