3.2. Глобальные системы определения местоположения

Наиболее перспективными космическими системами, служащими для решения геодезических задач, являются системы глобального определения местоположения ГЛОНАСС (РФ), Navstar (США) и Galileo (европейская система). Функционирующими на данный момент являются две глобальные спутниковые радионавигационные системы второго поколения – это российская (ранее советская) система ГЛОНАСС (глобальная навигационная спутниковая система) и американская, называемая «Navstar» (Navigational Satellite Time and Ranging – навигационный спутник измерения времени и координат) или по ее фактическому назначению GPS (Global Positioning System – глобальная система местоопределения). Система ГЛОНАСС, как и Navstar, считается системой двойного назначения, то есть может использоваться как в военных, так и в гражданских целях, и разработана по заказу Министерства обороны. По своему назначению и построению система ГЛОНАСС подобна американской Navstar и по выходным показателям не уступает ей. Система ГЛОНАСС является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения.

ГЛОНАСС работает в системе СК-90, а GPS действует в координатной системе WGS-84.

Рис. 10. Сегменты спутниковой системы навигации

Современные системы спутникового позиционирования состоят из трех частей, получивших название сегментов (подсистем) (рис. 10):

1) космический сегмент, включающий в себя набор спутников, который называют «созвездием»;

2) сегмент управления и контроля, состоящий из центральной (Ведущей) станции и нескольких станций слежения, расположенных в разных точках земного шара. Кроме того, имеются средства развертывания и восполнения системы (космодром);

3) сегмент пользователей, включающий в себя широко распространенную аппаратуру пользователей.

3.2.1. Космический сегмент спутниковых систем

Для GPS космический комплекс (космический сегмент или подсистема космических аппаратов (ПКА)) включает 24 искусственных спутника Земли (ИСЗ) (1994 г.) с включением в сеть трех резервных, обращающихся вокруг Земли в восьми орбитальных плоскостях. Форма орбиты  близкая к круговой с высотой над поверхностью Земли около 20183 км, чему соответствует период обращения, равный половине звёздных суток (11 ч 57 мин. 58,3 с). Угол наклонение орбиты к плоскости экватора 60 . При таком количестве и расположении спутников в любой точке поверхности Земли обеспечивается постоянная видимость от 4 до 8 ИСЗ на высоте более 15 над горизонтом.

На каждом спутнике находится следующая аппаратура. По два атомных стандарта частоты и времени  цезиевый и рубидиевый для генерирования опорной частоты f_о = 10,23 Мгц с суточной нестабильностью 10^-1410^-13 и формирования несущих частот радиоизлучения L₁ = 154f_о = 1575,42 МГц (длина волны 19 см) и L₂ = 120f_о = 1227,60 МГц (длина волны 24 см) и меток времени. Радиопередатчик с устройством модуляции несущих частот  для выдачи навигационной информации потребителям. Приёмник  для связи с комплексом управления. Кроме того, имеются бортовой вычислительный процессор, солнечные батареи, аккумуляторы, система ориентации и коррекции орбиты.

Спутник излучает радиосигналы на частотах L₁ и L₂, модулированные навигационным сообщением и кодами меток времени. Сигнал на частоте L₁ модулирован P-кодом (P – от англ. protected, precise, т. е. – защищённый, точный) и C/A-кодом (C/A – от англ. clear acquisition, т. е. – свободного пользования), а на частоте L₂ – только P-кодом. C/A-код имеет частоту f₀/10 и повторяется каждую миллисекунду, P-код имеет частоту f₀ и повторяется каждые 1,5 секунды. P-код позволяет решать навигационные задачи с более высокой точностью, но защищён от несанкционированного использования. C/A-код обеспечивает пониженную точность, но всегда открыт для всех пользователей.

Частоты L₁ и L₂ модулированы также сигналом, несущим информацию, называемую навигационным сообщением. Оно содержит следующие сведения:

параметры орбиты спутника, позволяющие вычислить на любой момент его прямоугольные геоцентрические координаты x^s, y^s, z^s;

поправку времени, дрейф и ускорение спутникового стандарта частоты относительно времени системы GPS и всемирного времени;

коэффициенты уравнения для вычисления ионосферной поправки результатов измерений;

данные о техническом состоянии системы.

Рис. 11. Космический сегмент спутниковых «созвездий»:

а – ГЛОHACC; б – Navstar

При проектировании системы большое внимание уделялось вопросам автономного функционирования. Так, космические аппараты первого поколения обеспечивали нормальную работу системы (имеется в виду, без существенных ошибок определения координат) без вмешательства сегмента управления в течение 3 – 4 дней. В последующем этот срок был увеличен до 14 дней. В новой модификации НКА имеет возможность автономно работать в течение 180 дней без корректировки параметров орбиты с земли, пользуясь лишь автономным комплексом взаимной синхронизации спутников.

Отечественная система Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), имеет 24 искусственных спутника Земли (из них 3 резервных), движущихся в трёх орбитальных плоскостях на высоте 19,1 тыс. км. Период обращения – 11 ч 15 мин. Наклонение орбит 64,8. Излучение радиосигналов каждым спутником ведётся на двух несущих частотах: в диапазоне L₁ на частоте f_k1 = f_о1 + kf₁ и в диапазоне L₂ на частоте f_k2 = f_о2 + kf₂. Здесь k = 0, 1, ... , 24; f_о1 = 1602 МГц; f_о2 = 1246 МГц; f₁ = 562,5 кГц; f₂ = 437,5 кГц. В диапазоне L₂ радиосигналы модулированы специальными кодами, которые не могут быть свободно использованы. Передаваемая спутником информация  навигационное сообщение  содержит: оцифровку меток времени спутника, сдвиг времени спутника относительно времени системы, отличие несущей частоты излучения от опорной частоты эталона времени, эфемеридную информацию (три координаты ИСЗ, три составляющих скорости и три составляющих ускорения), а также сведения о техническом состоянии всех спутников, сдвигах времени каждого спутника относительно времени системы, параметрах орбит, поправке времени системы относительно всемирного времени.

Рис. 12. Навигационный спутник:

а – ГЛОНАСС; б – Navstar GPS

Каждый спутник (рис. 12) имеет солнечные источники питания и работающие в буферном режиме аккумуляторные батареи. В «период затмения», когда спутник находится на теневой стороне планеты, используется энергия батареи, поскольку на солнечные панели не падает свет. Кроме того, поддерживается связь между ведущей станцией и удаленными станциями сегмента управления и контроля. Внутри корпуса, помимо радиотехнической аппаратуры и инерциальной системы для ориентирования спутника, установлен реактивный двигатель с запасом топлива, предназначенный для корректировки орбитального положения спутника в течение всего срока эксплуатации (5 – 15 лет). На спутнике также имеется радиоприемное устройство для приема информации, передаваемой с земли сегментом управления и контроля.

Созвездие Galileo создается с учетом опыта эксплуатации Navstar и ГЛОНАСС. Galileo будет состоять из 30 спутников в трех орбитальных плоскостях, каждая – с девятью спутниками, равномерно распределенными в пределах круговой орбиты и тремя активными резервными спутниками, которые необходимы в случае их отказа.

Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС, GPS и Galileo приведены в табл. 1.

Таблица 1