Лекція_Глобальні навігаційні супутникові системи. Будова системи GPS
.pdfЛекція. ГЛОБАЛЬНІ НАВІГАЦІЙНІ СУПУТНИКОВІ СИСТЕМИ (GNSS)
ЕЛЕМЕНТИ БУДОВИ СИСТЕМИ GPS ТА ЇЇ ФУНКЦІОНУВАННЯ
На даний час розгортаються і вже є повністю сформованими кілька глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS) це – GPS (США), ГЛОНАСС
(Росія), Galileo (Європейський Союз), BeiDou (Китай). Зараз застосовуються, як правило, перші дві системи. Кожна з цих навігаційних систем має свої особливості,
але в загальному їх будова подібна, тому розглянемо її на прикладі системи GPS.
1 Призначення та функціонування системи GPS
NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System – навігаційна супутникова глобальна позиційна система за вимірюванням часу та відстані) є оперативною загальноземною навігаційною радіовіддалемірною супутниковою системою. Система GPS дає можливість визначати просторові координати та час у будь-якій точці земної поверхні чи навколоземного простору,
де на період цих позиційніх визначень розміщується спеціальна антена приймача
GPS-сигналів. Координати точки визначаються за допомогою відстаней між антеною приймача і відомими миттєвими положеннями кількох супутників GPS.
Самі ж ці відстані обчислюються через безпосередньо виміряні величини, якими можуть бути або інтервали часу (кодові виміри), необхідні на подолання навігаційними сигналами відстаней від антен відповідних космічних апаратів до антени приймача, або набуті на цьому шляху різниці фаз несучих хвиль (фазові виміри), що несуть ці електромагнітні сигнали. Радіотехнічні спостереження супутників GPS можуть виконуватися в будь-який час доби, незалежно від метеорологічних умов. Вони вимагають тільки достатньої видимості неба. Самі
GPS-спостереження та їх математична обробка максимально автоматизовані.
На сучасному етапі GPS призначена забезпечувати розв’язання, крім навігаційних, також і наступних геодезичних задач:
абсолютні визначення просторових координат пунктів в єдиній геоцентричній системі з точністю 15 – 40 м в оперативному, і 3 – 5 м або 0.5 – 1 м в постоперативному режимі в залежності від точності ефемерид;
визначення приростів координат між пунктами, або векторів довжиною до ~200
– 400 км з відносною похибкою 1 10-6 – 1 10-7, на основі навігаційних ефемерид,
і 1 10-8 – 1 10-9 на основі уточнених ефемерид;
прив’язка годинників до шкали часу UTC з точністю до 1 мкс.
2 Будова системи GPS
GPS складається з трьох сегментів: космічного, контрольного і користувачів (рис. 1).
Рис. 1. Складові частини (сегменти) системи GPS
Перші GPS-супутники експериментальної серії Block I були виведені на свої орбіти у 1978 р. У 1989 р. розпочато запуски космічних апаратів основної серії Block II. Повна комплектація сузір’я супутників GPS космічними апаратами основної серії завершена в 1994 р. На даний момент воно складається з апаратів серій Block IIA, IIR, ІІF і III. Запланований термін функціонування супутників – 7.5–10 років. Їх маса
~1.5–2 т. Джерелом енергії служать сонячні батареї і акумулятори. Космічні апарати обладнані системами стабілізації та орієнтації, рубідієвими і цезієвими атомними годинниками або водневими мазерами, процесорами, комплексом радіоелектронної апаратури для прийому інформації від контрольного сегменту та для формування і
трансляції навігаційних сигналів, та інш. Ефемериди супутників оновлюються 3
рази на добу. Супутники з серії Block IIR мають бортову систему автономного визначення своїх орбіт, прогнозування ефемерид і генерування власних навігаційних повідомлень.
Космічний сегмент запроектований з 24 ШСЗ (рис. 2), які розміщені в шістьох орбітальних площинах, нахилених під кутом 55° до екватора, групами по чотири супутники, так, щоб у будь-який момент часу над горизонтом будь-якої точки поверхні Землі знаходилося не менше чотирьох космічних апаратів.
Практично, в наших широтах можуть одночасно спостерігатися 4-9 супутників GPS.
Їх близькі до кругових орбіти (e < 0.02) мають висоту ~20180 км, що відповідає періоду обертання 0.5 зоряної доби.
Рис. 2 Космічний сегмент системи GPS
Контрольний сегмент (рис. 3) – це комплекс наземних засобів, за допомогою якого забезпечується функціонування системи, контролюється її робота, та здійснюється безпосереднє керування. Основу цього сегменту складає, так звана,
система оперативного контролю OCS (Operational Control System) МО США, що включає в себе шість станцій неперервного моніторінгу, супутників, головну і три додаткові станції управління. Моніторінгові станції розташовані в різних точках
планети: Колорадо-Спрінгс, Флоріда, а також на островах Гавайї, Вознесіння, Дієго-
Гарсія, Кваджелейн. Вони обладнані водневими стандартами частоти і P-кодовими приймачами. Ці станції кожних 1.5 с вимірюють псевдовідстані до всіх космічних апаратів NAVSTAR, коли вони проходять над їх горизонтом, визначають вплив атмосфери, і передають на головну контрольну станцію згладжені, виправлені за іоносферну і тропосферну рефракції, усереднені за кожні 15 хв. дані. Станції управління територіально співпадають з деякими з моніторінгових станцій. Головна станція управління знаходиться в Колорадо-Спрінгс. Вона зв‘язана спеціальною лінією зв‘язку із службою часу Морської астрономічної обсерваторії МО США у Вашингтоні, атомний еталон часу якої використовується для контролю власного системного часу GPS. На головній станції збираються результати спостережень з усіх станцій стеження, обчислюються уточнені орбіти космічних апаратів, шляхом екстрополяції прогнозуються елементи орбіт на наступний період. Оцінюється робочий стан кожного супутника і системи в цілому. Прогнозовані елементи орбіт,
коефіцієнти ходу бортових годинників, та інші дані формуються в навігаційні повідомлення певного формату, які пересилаються на одну з додаткових станцій управління для наступної загрузки їх в память бортових процесорів. Додаткові станції управління розташовані на островах Дієго-Гарсія, Вознесіння, Кваджелейн.
Вони, фактично, являються станціями зв‘язку з космічними апаратами, які по спеціальному радіоканалу передають їм необхідні команди і інформацію, засилають навігаційні повідомлення в память бортових процесорів, що формують навігаційні сигнали.
Рис. 3 Контрольний сегмент системи GPS
Сегмент користувачів складається з множини операторів та автоматичних станцій, які в певний момент визначають, за допомогою спеціальних приладів – приймачів GPS-сигналів, координати свого місцеположення, або навігаційні параметри своїх транспортних засобів, поправки годинників тощо. Одночасно може працювати необмежена кількість приймачів. Координати визначаються в загальноземній геоцентричній системі WGS-84, близькій за параметрами до GRS-
80, а час - у шкалі часу GPS. Десятки зарубіжних фірм випускають GPS-приймачі різноманітного призначення і конструкцій - від найпростіших мініатюрних для туристів і до складних високоточних для використання в геодезії, геодинаміці та у службі часу. GPS-приймач за своєю конструкцією і принципами роботи є сучасним електронним реєструючим приладом, подібним до приладів телекомунікації. Він складається з таких основних блоків: антенного, радіочастотного або вимірювального, контрольного (дісплей та панель з клавішами керування і цифро-
буквеного вводу), обчислювального (процесор, програмне забезпечення), блоку пам’яті (вінчестер ~ на 2.5 МБт та магнітні карти пам’яті ємністю 2, 4, 8 або 20 МБт),
і блоку електроживлення. Геодезичні GPS-приймачі різних типів виробляються,
наприклад, фірмами Trimble, Texas Instruments (TI), Leica, Topcon, Sokkia тощо.
Типи приймачів відрізняються кількістю радіочастотних каналів, кількістю генерованих несучих частот (одно-, або двочастотні), кількістю інстальованих кодів
(безкодові, C/A-, P-, P(Y)-кодові).
Рис. 4 Схема будови GNSS-приймача