4.3. Состав системы Navstar gps.
Космический сегмент.
Для покрытия земного шара необходимо только 24 спутника, остальные выступают в качестве запасных. Спутники распределены по шести орбитам на высоте около 20 000 км (по четыре спутника на каждой орбите) и имеют наклон 55° по отношению к экватору (см. рис. 1.2.3.). Они движутся со скоростью около 3 км/с (два оборота вокруг Земли менее чем за сутки). Такая конфигурация системы позволяет принимать сигнал сразу от нескольких спутников практически в любом месте Земли (за исключением некоторых приполярных областей). Вес каждого спутника около тонны, а размер с раскрытыми солнечными батареями - около 5 м. Мощность передатчика порядка 50 Вт. Каждый спутник рассчитан на работу в течение десяти лет. Новые спутники запускаются на орбиту по мере необходимости, например в случае выхода из строя или необходимости провести профилактические работы.
Сегмент управления.
Содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс и три станции закладки:острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн (см. рис. 1.2.7.). Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.
- Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают информацию на главную станцию.
- Главная станция вычисляет поправки синхронизации атомных часов спутников. Она также исправляет орбитальную информацию (эфемериды спутников). Главная станция передаёт результаты своей работы станциям загрузки.
- Станции слежения потоками данных обновляют информацию, передаваемую каждым спутником, используя данные, полученные от главной станции.
- После чего спутник шлёт набор данных орбитальных эфемерид на приемники.
Аппаратура потребителей.
В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности C/A либо C/A и P, а также служебная информация. Полученный код сравнивается с аналогичным кодом, который генерирует сам GPS-приемник, что позволяет определить задержку распространения сигнала от спутника и таким образом вычислить псевдодальность. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. в БПС поддерживается синхронизм между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться:
- по C/A-коду (одночастотный кодовый приемник);
- по Р-коду (двухчастотный кодовый приемник);
- по C/A-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник);
- по Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник).
Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.
4.4. Кодирование навигационных сигналов в системе Navstar GPS.
Спутники передают непрерывный навигационный сигнал в двух L-диапазонах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц.
Для гражданских целей используется частота L1. Для военных целей - частота L2. Передаваемый сигнал модулируется псевдослучайным кодом (PRN). Существует грубый код - С/А-код (Coarse Acquisition code), используемый в гражданских приемниках, и точный P-код (Precision code), используемый в военных целях и иногда для нужд геодезии и картографии.
Рис. 4.4.1. Сигнал GPS.
Спецификация GPS Positioning Services в Федеральном плане радионавигации США.
Система точного позиционирования. Precise Positioning System (PPS).
Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием, ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы:
• горизонталь 22 метра
• вертикаль 27.7 метров
• время 100 наносекунд
Система стандартного позиционирования. Standard Positioning System (SPS).
Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без ограничений. Большинство приемников GPS может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений:
• горизонталь 100 метров
• вертикаль 156 метров
• время 340 наносекунд
Кодирование излучаемого спутником радиосигнала преследует несколько целей:
- обеспечение возможности синхронизации сигналов ИСЗ и приемника;
- создание наилучших условий различения сигнала в аппаратуре приемника на фоне шумов (доказано, что псевдослучайные коды обладают такими свойствами);
- реализация режима ограниченного доступа к GPS, когда высокоточные измерения возможны лишь при санкционированном использовании системы.
Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов (иначе называемых “чипами”) 1,023 МГц и период повторения 0,001 сек., поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность автономных измерений расстояний с его помощью невысока.
Защищенный код P (Protected) характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по P-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Однако и это “тайное” стало “явным” в результате утечки секретной информации, после чего к P-коду получил доступ широкий круг специалистов. Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (Anti Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование P-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS- приемнике.
Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый “режим выборочного доступа” SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза.
Также спутники передают на приемник служебную информацию: альманах, содержащем данные об орбитах и координатах спутника, эфимерис - данные, содержащие важную информацию о рабочем состояние спутника, текущей дате и времени.
В таблице 4.1.1. приведена сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и Navstar. В перспективе возможно совместное использование этих систем.
Табл. 4.1.1.
|
Показатель |
ГЛОНАСС |
Navstar GPS |
|||
|
Число НКА в полной системе |
24 |
24 |
|||
|
Число орбитальных плоскостей |
3 |
6 |
|||
|
Число НКА в каждой плоскости |
8 |
4 |
|||
|
Наклонение орбиты,0 |
64,8 |
55 |
|||
|
Высота орбиты, км |
19 130 |
20 180 |
|||
|
Период обращения НКА |
11 ч 15 мин 44 с |
11 ч 58 мин 00 с |
|||
|
Система координат |
ПЗ-90 |
WGS-84 |
|||
|
Масса НКА, кг |
1450 |
1055 |
|||
|
Показатель |
ГЛОНАСС |
GPS NAVSTAR |
|||
|
Мощность солнечных батарей, Вт |
1250 |
450 |
|||
|
Срок активного существования, лет |
3 |
7,5 |
|||
|
Средства вывода на орбиту |
Протон-К/ДМ |
Delta 2 |
|||
|
Число НКА, выводимых за один запуск |
3 |
1 |
|||
|
Космодром |
Байконур |
Мыс Канаверал |
|||
|
Эталонное время |
UTC (SU) |
UTC (NO) |
|||
|
Метод доступа |
FDMA |
CDMA |
|||
Несущая частота: |
|
|||||
|
L1 |
1598,0625—1604,25 |
1575,42 |
|||
|
L2. |
7/9 L1 |
60/77 L1 |
|||
|
Поляризация излучения |
Правосторонняя |
Правосторонняя |
|||
|
Тип ПСП |
М-последовательность |
Код Голда |
|||
Число элементов кода |
|
|||||
С/А |
511 |
1023 |
|
|||
Р |
51 1000 |
2,35x1014 |
|
|||
Скорость кодирования, Мбит/с |
|
|||||
С/А |
0,511 |
1,023 |
|
|||
Р |
5,11 |
10,23 |
|
|||
Уровень внутрисистемных радиопомех, дБ |
-48 |
-21,6 |
|
|||
Структура навигационного сообщения |
|
|||||
Скорость передачи, бит/с |
50 |
50 |
|
|||
Вид модуляции |
BPSK (Манчестер) |
BPSK NRZ |
|
|||
Длина суперкадра, мин |
2,5 (5 кадров) |
12,5 (25 кадров) |
|
|||
Длина кадра, с |
30 (15 строк) |
30 (5 строк) |
|
|||
Длина строки, с |
2 |
6 |
|
|||