Конспект до теми 5. (Сегмент управління та контролю ГНСС)
.pdf1.ГЛОБАЛЬНІ НАВІГАЦІЙНІ СУПУТНИКОВІ СИСТЕМИ
1.1.Сегмент управління та контролю
Для підтримки постійної працездатності всього космічного сегменту, а
також для систематичного оновлення переданої користувачам інформації, яка потребує періодичної корекції, в сучасних глобальних супутникових системах позиціонування (таких як GPS і ГЛОНАСС) передбачається спеціальний постійно діючий сегмент, який отримав назву сегмент управління і контролю
(або наземний комплекс управління). Даний сегмент повинен виконувати наступні функції:
•безперервне відстеження всієї переданої супутниками інформації;
•узагальнення та аналіз інформації з метою своєчасного коригування всіх показників;
•прогнозування ефемерид супутників та переданого із супутників користувачам точного часу;
•формування оновлених навігаційних повідомлень і передавання їх по радіоканалу на відповідні супутники (в строго визначені інтервали часу);
•виявлення несправностей в роботі супутників і вживання заходів щодо їх усунення;
•коригування орбіт супутників не тільки за рахунок введення відповідних поправок, але і за допомогою дистанційного управління реактивним двигуном, що знаходяться на борту супутника.
Серед різних контрольованих і коректованих параметрів підвищена увага приділяється періодичному уточненню ефемерид і показів годинників супутників. Визначення поточних значень ефемерид певних супутників, які використовуються при обчисленні відповідних правок в прогнозі їх значень,
здійснюється методом просторової лінійної засічки. При цьому виконується одночасне вимірювання відстаней до конкретного супутника мінімум із трьох пунктів земної поверхні, координати яких добре відомі. Коригування показів
1
годинників супутників здійснюється за допомогою порівняння прийнятих по радіоканалу відліків часу по цьому годиннику з відповідними показами наземних опорних годинників, що входять до складу сегменту управління і контролю. Поряд із зазначеними показниками даним сегментом постійно контролюються і коригуються поправки, зумовлені впливом атмосфери.
Реалізація перерахованих функцій сегменту управління та контролю базується на чіткій взаємодії станцій різного призначення, які входять у цей сегмент. Це зокрема головна станція, станції стеження та завантажувальні станції. Мережа станцій сегменту управління і контролю системи GPS
складається з однієї головної станції управління, п'яти станцій стеження і трьох завантажувальних станцій (рис. 9).
Рис. 9. Мережа станцій управління та контролю системи GPS
П'ять станцій стеження, які часто називають моніторинговими станціями, здійснюють цілодобові відстеження супутників. Вони рівномірно розташовані по всій земній кулі, на островах Вознесіння і Гаваї, на атолах Кваджалейн і Дієго-Гарсія. Одна із станцій поєднана з головною станцією, що знаходиться в Колорадо-Спрінгс (США). Відстеження супутникових сигналів здійснюється за допомогою двочастотних спеціалізованих приймачів,
обладнаних атомними (цезієвими) годинниками. Координати цих станцій відомі з високою точністю. Розглянуті станції стеження працюють повністю в автоматичному режимі, а їх управління здійснюється з головної станції.
2
За допомогою даних станцій виконують вимірювання відстаней до всіх супутників, які знаходиться в полі зору, приймають зі супутників навігаційні повідомлення на частотах L1 і L2, в результаті чого є можливість визначати поточні поправки, зумовлені впливом іоносфери. Крім того, реєструється точність ходу супутникових годинників. Поряд з цим в місцях розташування станцій стеження збирають і ретранслюють на головну станцію метеорологічні дані, що відносяться до умов даної місцевості. До таких даних відносяться температура, тиск і вологість повітря, таким чином тропосферні затримки переданих з супутників сигналів можуть бути визначені і відкориговані.
Визначення відстаней до супутників проводиться на основі використання кодових сигналів. При цьому псевдовіддалі на станціях стеження вимірюються з точністю близько 2,5 м кожні півтори секунди. На основі таких вимірювань уточняються поточні значення ефемерид супутників і здійснюється їх прогноз на найближчий час.
Головна станція управління, що знаходиться в Колорадо-Спрінгс
(США), є робочим центром всієї системи GPS. Операції управління цілком закріплені за цією станцією. Вона безперервно збирає інформацію від всіх перерахованих вище станцій стеження, використовується для обчислення прогнозованих орбіт як функцій часу, а також для визначення поправок до показів годинників супутників. Поряд з цим здійснюється формування навігаційного повідомлення з параметрами орбіти для індивідуального супутника і з поправками до показів його годинника, а також альманаха, який включає в себе коротку інформацію про всі супутники. Три рази на добу навігаційне повідомлення передається на супутники за допомогою завантажувальних станцій.
Головна станція безперервно оперує великою кількістю параметрів системи, найважливішими з яких є поточні координати супутників і сигнали точного часу. Високоточні годинники головної станції виконують роль опорних годинників для всієї системи GPS. Ці годинники встановлюють часовий масштаб GPS і безпосередньо пов'язані з національним стандартом часу США.
3
Всі інші годинники порівнюються з опорними годинниками, в результаті чого здійснюється синхронізація всіх годинників GPS.
Через станції завантаження головна станція може коригувати орбіти супутників, як за рахунок введення відповідних поправок, так і за допомогою управління реактивним двигуном, що знаходиться на борту супутника. Крім того, дана станція може керувати режимом роботи активних резервних супутників, переводячи їх в робочий режим.
Три наземні завантажувальні станції розташовані на атолах Дієго-Гарсіа та Кваджалейн, а також на острові Вознесіння. Антенні пристрої цих станцій являють собою великі параболічні дзеркальні антени діаметром близько 10 м.
Вони використовуються для передачі навігаційних повідомлень, а також команд управління на супутники. Передача здійснюється на частоті
1783,74МГц. Для прийому цих сигналів на супутнику у складі супутникового апаратного комплексу передбачено відповідний приймальний пристрій,
інформація з виходу якого надходить в модуль пам'яті. Для забезпечення безперебійної роботи сегменту управління та контролю всі основні складові частини системи продубльовано.
Прийнята кожною з п'яти станцій стеження від доступних супутників інформація доповнюється необхідною інформацією, а потім передається в он-
лайн режимі по спеціальному каналу зв'язку на головну станцію. Отримана після відповідної обробки інформація у вигляді обновленого навігаційного повідомлення та інших службових команд надходить по каналу зв'язку на завантажувальні станції, які передають згадану інформацію на той супутник,
для якого призначена ця інформація. Також на головній станції формується банк даних, що містить обчислені значення ефемерид, точність яких значно вища за точність, яка передається у навігаційному повідомленні. За запитом такі уточнені значення ефемериди поставляються користувачам, зацікавленим в отриманні результатів супутникових геодезичних вимірювань підвищеної точності.
Структура організації наземного комплексу управління (НКУ), що входить
4
в систему ГЛОНАСС, в загальних рисах аналогічна сегменту управління і контролю GPS системи. Мережа станцій, які входять до складу цього комплексу розташована в основному на території Росії (рис. 10).
Рис. 10. Мережа станцій управління та контролю системи ГЛОНАСС
Таке розташування станцій не покриває всю земну кулю і трохи знижує можливості проведення траєкторних вимірювань, орієнтованих на визначення,
прогнозування і безперервне уточнення параметрів орбіт супутників, що входять в систему ГЛОНАСС. Для усунення цього недоліку в НКУ системи ГЛОНАСС передбачено використання супутникових лазерних віддалемірів, які дозволяють з високою точністю визначати параметри руху супутників ГЛОНАСС. Інша відмінна особливість НКУ системи ГЛОНАСС полягає у використанні двох різних підсистем, пов'язаних з координатними визначеннями супутників і корекцією показів супутникових годинників. До першої з них відноситься підсистема ефемеридного забезпечення, яка визначає і прогнозує параметри руху супутників. Друга є підсистема частотно-часового забезпечення, яка відповідає за бортову шкалу часу.
5