5.2. Визначення відстані між терміналом та супутником.

В основі визначення наземних координат приймача є точні координати супутників в будь-який момент часу і точна відстань від супутників до приймача.

Кожний супутник неперервно передає зведену інформацію про власний стан і стан всієї системи у вигляді цифрового двійкового альманаху, повна передача якого триває кілька хвилин і періодично повторюється. Власне з цього альманаху термінал отримує дані про справні супутники, елементи їх орбіт, точний час системи, корекції часу проходження сигналу через атмосферу та інше.

У системах GPS та GALILEO основна передача йде на частоті 1575.42 МГц розширеним спектром за DSSS. Всі супутники цих систем глобального позиціонування передають на одній частоті, але кожному супутнику надано свою двійкову псевдовипадкову послідовність PN, яка є його ідентифікатором. Супутниковий альманах передається зі швидкістю 50 біт/сек за 12.5 хв. Початок передачі кожного біту точно відомий. PN сигнал модулює кожний біт передачі і таким чином розширює спектр сигналу у 10230 раз. На протязі передачі альманаху кожні 30 сек повторюються орбітальні координати супутника, що веде передачу.

Швидкість поширення електромагнітної хвилі є світовою константою. Тому відстань до супутника визначається часом, потрібним PN сигналу, щоб досягнути терміналу. У терміналі генерується PN сигнал, ідентичний PN сигналу супутника, початок якого співпадає з моментом відправки сигнала з супутника. Час запізнення PN сигналу супутника визначається моментом максимума кореляційного інтеграла сигналів приймача і супутника.

Для забезпечення метрової точності визначення наземних координат час запізнення PN сигналу з супутника повинен вимірюватись з наносекундною точністю. Справді, метрова точність відстані до супутника – це допустима відносна похибка 1м/20000км=5∙10^-8. З п’ятдесятикратним запасом похибка вимірювання часу – 10^-9. Таку точність здатні забезпечити лише атомні годинники. На кожному супутнику встановлено 4 цезієві та рубідієві атомні годинники, з яких 3 – резервні. Всі супутникові годинники синхронізовані між собою з наносекундною точністю, що забезпечує наземний сектор системи.

Атомні годинники використовують опорні частоти, що відповідають квантовим енергетичним переходам атомів. Атоми належать до мікросвіту, де діють закони квантової механіки. Енергія квантовомеханічної системи (атома) може приймати лише певні дискретні значення. Зокрема, енергія зв’язку електрона з ядром атома має певні дозволені значення, тобто електрони можуть займати лише певні орбіти навколо ядра.

Цезій (Cs) та рубідій (Rb) легко випаровуються, а їхні атоми мають по одному електрону на зовнішніх електронних орбітах. Газоподібний стан робочої речовини потрібний для малої взаємодії між атомами, бо міжатомна взаємодія впливає на енергію переходу зовнішнього електрона і зменшує її стабільність. Енергія переходу Е_п зовнішнього електрона з нормальної орбіти на найближчу вищу визначена фундаментальними фізичними константами та не залежить від зовнішніх умов, якщо атом ізольований. Електромагнітне випромінювання лазера з частотою Е_п/h (h – стала Планка) резонансно поглинається в ампулі з розрідженою парою рубідію або цезію, а випромінювання інших частот не поглинається. Ця обставина й використана для стабілізації частоти модулюючого генератора (див. рис. 5.1).

Нові розробки супутників глобального позиціонування мають водневі атомні годинники, бо пара рубідію або цезію з часом осідає на стінки ампули і точність годинника погіршується.

Зараз інтенсивно розробляються мініатюрні атомні годинники, розміри яких співмірні з розмірами мікросхем. Поки що точність відомих зразків не краща за 10^-8, що перевищує точність кварцевих годинників, але недостатньо для систем глобального позиціонування. Використання дешевих компактних атомних годинників у приймачах супутникових сигналів зможе помітно покращити надійність визначення координат. Справді, точне визначення координат стане можливим за сигналами лише трьох супутників, а не чотирьох. Зменшиться також час обчислень, бо не треба буде сихронізувати кварцевий годинник за кожним вимірюванням координат.

Крім основної передачі, супутники GPS та GALILEO ведуть таку ж передачу на частоті 1227.6 МГц, але кожний біт заповнено псевдовипадко­вим сигналом у десять раз довшим, що забезпечує на порядок кращу точність визначення відстані до супутника. Ця передача є шифрованою та призначена для спеціального використання.

У системі ГЛОНАСС кожний супутник має свої частоти передачі в околах 1600 МГц та 1200 МГц, тобто застосовано не лише кодове CDMA, а ще й частотне розділення супутникових сигналів FDMA. Крім того, супутниковий альманах системи ГЛОНАСС має іншу структуру та час його передачі менший. В іншому система ГЛОНАСС практично не відрізняється від GPS та GALILEO.