CC BY
219
Рыбакова. О.А., Лапшин Э.В. ГЛОБАЛЬНЫЕ КОСМИЧЕСКИЕ СИСТЕМЫ
В сферу телекоммуникаций в настоящее время инвестировано около $450 млрд. США. В настоящее время связь занимает третье место в мировой шкале инвестиций после фармацевтической и энергетической промышленности, опережая при этом химию и автомобилестроение.
Возможно, одним из наиболее впечатляющих по своим масштабам итогов деятельности человечества в 20 столетии стало создание глобальных космических систем. В частности создание систем радиоместо-определения и телекоммуникации. Эти системы огромны как по своей стоимости реализации, так и по своим возможностям и масштабам. На создание системы связи Iridium уже было затрачено около $ 7 млрд. США, а на создание системы Globalstar $ 4 млрд. Однако они стали реальностью нашей жизни. Глобальные навигационные системы GPS и ГЛОНАСС были не только развернуты, но и опробованы в гражданском и боевом применении, функционирует целый ряд систем спутниковой связи использующих, как геостационарные, так и низколетящие спутники.
Но только военные США могут использовать главный "козырь" этой системы - высокоточное наведение оружия массового поражения и другого вооружения на цель, а все гражданские пользователи во всём мире, включая пассажирские самолёты и корабли, могут по решению Министерства Обороны США быть отключены от возможности принимать сигнал с американских навигационных спутников. Эта монополия не устраивает большинство ученых из России, Европы, Индии, Китая и Японии, которые разрабатывают собственные системы спутникового позиционирования и в международных документах все системы, включая GPS, получили аббревиатуру - GNSS (Global Navigation Satellites System (англ.) - Глобальная Навигационная Спутниковая Система). Американская же система NAVSTAR стала GPS NAVSTAR или чаще просто GPS[1].
С технической точки зрения, созданные системы радиоместоопределения ГЛОНАСС и GPS являются уникальными научно-техническими комплексами, обеспечивающими в настоящее время наибольшую точность глобальной временной и координатной привязки абонентов. Однако это стало возможным благодаря применению в бортовых радиотехнических комплексах ИСЗ наиболее передовых достижений в области квантовых стандартов частоты и созданию соответствующих систем баллистического обеспечения. Применяемые в настоящее время в этих системах радиосигналы обеспечивают необходимый уровень предельной точности проведения измерений координат.
1 История
Развитие космических технологий привело к возможности создания спутниковых систем позиционирования в пространстве. Такие проекты являлись и остаются очень дорогостоящими, осуществление которых под силу только очень развитым странам, к числу которых относятся США и Америка. Развитием этих идей стало появление американской системы GPS и российского аналога ГЛОНАСС.
Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR - система двойного назначения, изначально разработанная по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у системы стратегическое, второе назначение указанной системы гражданское[1]. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны). Навигационные системы являются независимыми (полностью автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник) и используют сигналы на основе «псевдошумовых последовательностей», применение которых придаёт им высокую помехозащищённость и надёжность при невысокой мощности излучения передатчиков. В настоящее время услуги систем GPS являются доступными любому человеку.
Первой спутниковой навигационной системой появившейся на вооружении армии США стала спутниковая навигационная система TRANSIT. Но к началу 70-х годов оказалось, что спутниковая навигационная система TRANSIT имеет существенные недостатки:
относительно невысокая точность определения координат;
большие промежутки времени между наблюдениями.
С целью преодоления этих недостатков было принято решение начать работы над созданием спутниковой навигационной системы нового поколения. Первоначально она получила название NAVSTAR т.е. "навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и местоположения" (сейчас можно встретить двойное название: GPS-NAVSTAR). Основным назначением NAVSTAR была высокоточная
навигация военных объектов.
Первоначально предполагалось использовать систему GPS только в навигационных целях, но исследования, проведенные учеными Массачусетского технологического института в 1976 - 1978 г.г., показали возможность геодезического применения GPS, т.е. определения координат с миллиметровой точностью.
2 Принцип работы системы GPS
Основу системы составляет сеть ИСЗ развёрнутых в около земной орбите и равномерно "покрывающих" всю земную поверхность (рисунок 1). Орбиты ИСЗ рассчитаны с очень высокой степенью точности, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в 100 километрах от поверхности земли требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Радиопередатчик каждого из спутников непрерывно излучает сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.
Рисунок 1 Сеть GPS-спутников
В GPS- приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность "спутник-приемник". Для вычисления этого расстояния пользуются тем свойством, что радиосигнал распространяется со скоростью света. Так как для определения местоположения точки нужно знать три координаты (имеются в виду плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике вычисляются расстояния до трех различных ИСЗ. Очевидно, при данном методе радионавигации (он называется безза-просным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.
Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока. Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому "системному времени". Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость.
На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или "псевдодальность". В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время.
3 Состав системы GPS
В состав системы входят:
созвездие ИСЗ (космический сегмент);
сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления); собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).
3.1 Космический сегмент
По разным источникам он включает в себя от 24 до 26 спутников, которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит составляют около 2 6 тыс. км, а период обращения составляет приблизительно половину звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - в целях резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.
Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1575,42 МГц и L2=1227,6 МГц. Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 - только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени. 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.
Рисунок 2 Кодирование радиосигнала
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 предупре-
ждения 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.
Полностью развёрнутая спутниковая система имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для "горячей" замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены взамен неисправного). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность. Они также могут быть использованы и для увеличения степени покрытия отдельного региона. Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с наземной станции управления, но в связи с ограниченным запасом топлива на борту спутника делается это только в исключительных случаях[1].
3.2 Сегмент управления Эта система состоит из:
- центра управления навигационной системой со своим мощным вычислительным центром;
- развёрнутой сети станций измерения управления и контроля, связанных между собой;
- центром управления каналами связи и наземного эталона времени и частоты "атомных часов", для синхронизации бортовых "атомных часов" спутников (этот эталон более высокоточный, чем те, что установлены на спутниках).
Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.
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.
Сложная структура сигнала, передаваемого от ИСЗ к приемнику, обусловила многообразие способов его обработки и наблюдений.
Кодовые наблюдения реализуются в самых простых по конструкции GPS-приемниках. Из принятого со спутника сигнала частоты L1 выделяется C/A-код (тогда приемник называется одночастотным) или из частотных сигналов L1 и L2 выделяется P-код (двухчастотный приемник). Производится сравнение соответствующего кода с эталонным кодом, который генерирует сам приемник. Точность определения ко-
ординат при этом составляет:
для одночастотного (L1) приемника - 100м;
для двухчастотного (L1, L2) приемника - 16м.
Значения точностей приведены для неблагоприятного режима измерений, когда включен режим "ограниченного доступа" SA.
Фазовые наблюдения выполняются для повышения точности измерений. В этом случае при сравнении принятого со спутника сигнала и его эталона, генерируемого в приемнике, учитывается не только код, но и фаза несущей частоты (L1 или L2). Поскольку период несущей частоты в сотни (для P-кода) и тысячи (для C/A-кода) раз меньше периодов кодовых последовательностей, точность процедуры сравнения значительно повышается, а, следовательно, возрастает точность измерения координат. Однако в этом случае возникает проблема целочисленной фазовой неоднозначности, поскольку отсутствует информация о количестве целых периодов информационного сигнала, укладывающихся на пути ИСЗ - приемник. Непосредственно можно измерить только дробную часть фазовой задержки сигнала (в пределах одного периода).
Для решения этой проблемы используют несколько способов:
классический двухэтапный метод измерений, который предполагает на первом этапе выполнение большого количества избыточных измерений, а на втором - статистический анализ полученных данных и определение наиболее вероятного значения фазовой неоднозначности;
модификация классического метода, которая отличается тем, что при обработке результатов измерений производится многоэтапная Колмановская фильтрация и выбирается группа фильтров Калмана с оптимальными свойствами;
метод замены антенн, когда наблюдения выполняются двумя различными приемниками на двух пунктах в две различные эпохи (при измерениях во вторую эпоху производится замена антенн приемников);
метод определения неоднозначности "в пути", когда для определения целого числа периодов используют линейные комбинации сигналов L1 и L2 (суммы и разности).
Различают следующие виды источников ошибок, возникающих при выполнении процедуры измерений: неточное определение времени, ошибки вычисления орбит, которые появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника;
инструментальная ошибка приемника - обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника;
многопутность распространения сигнала - появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника;
ионосферные задержки сигнала - наличие электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала;
тропосферные задержки сигнала - величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом;
геометрическое расположение спутников - при вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия.
Имеется несколько методов выполнения наблюдений. Выбор конкретного метода зависит от следующих факторов[2]:
требуемый уровень точности;
технические возможности приемника и наличие соответствующего программного обеспечения;
характер окружающей местности и метеоусловия (радиопомехи, рельеф, гроза);
наличие ограничений на переезд между наблюдаемыми пунктами и расстояние между ними;
конфигурация спутниковой системы и количество наблюдаемых спутников, наличие средств связи.
Для решения различных задач: определения точных координат отдельных точек, последовательных измерений местоположения множества точек, непрерывных координатных определений в процессе движения автомобиля и др.
в рамках БОРБ-режима разработан ряд методов выполнения измерений. Эти методы отличаются технологией выполнения работ и получаемой точностью вычисления вектора базы.
3.3 Навигационная аппаратура потребителей
Состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени.
Области применения GNSS:
- потребности Министерства обороны,
- гражданская авиация,
- морской и речной транспорт,
- геодезия и картография,
- строительство,
- наземный транспорт,
- системы безопасности,
- спорт,
- сельское хозяйство,
- спасательные работы,
- частное использование.
4 Теория
Задача вычисления своего местоположения пользователем является достаточно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности необходимо вычислить координаты нескольких спутников, т.е. знать их точное местоположение относительно приёмной аппаратуры. Спутники постоянно двигаются, соответственно координаты постоянно меняются. Для оперативного просчёта и уменьшения вычислительной мощности размеров и стоимости пользовательской аппаратуры, вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления, в котором по результатам наблюдений за спутниками просчитывается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени и во время сеансов связи передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени. Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются - эфемеридами. Набор сведений, применяемых для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия
и, содержащих сведения о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая "загрублённые" эфемериды, называются альманахом. Передатчики, находящиеся на спутнике в беспрерывном режиме на высокой частоте передают навигационные сообщения, содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Пользовательская аппаратура, принимая такое навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет собственные координаты, при необходимости выводя их на средства отображения информации.
Вычислив координаты спутника, зная точное расстояние от спутника до земли и эталонное время распространения радиосигнала, приёмная аппаратура сможет вычислить расстояние от спутника до пользовательского приёмника, а вычислив расстояние до нескольких спутников, можно будет определить своё местоположение. Вот как это происходит в теории[2]:
Вычислив расстояние от спутника № 1 до приёмника, представим сферу, где центром будет спутник № 1.
Вычислив расстояние от приёмника до спутника № 2, представим себе вторую сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахождения.
Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника № 3 и одна из двух точек. Место пересечения трёх предполагаемых сфер и будет местом нашего позиционирования.
Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется чётвертый спутник. Задача решена.
5 Недостатки GPS
Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в глубине квартиры внутри железобетонного здания, в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь.
Невысокое наклонение орбит GPS (примерно 55) серьезно ухудшает точность в приполярных районах Земли, так как спутники GPS невысоко поднимаются над горизонтом.
Существенной особенностью GPS считается полная зависимость условий получения сигнала от министерства обороны США. Так, например, во время боевых действий в Ираке, гражданский сектор GPS был отключён[3].
6 Перспективы
В данном случае можно сказать, что перспективы самые радужные. Например, некоторые страховые компании уже сейчас предоставляют значительные скидки на страхование по рискам (полное КАСКО) при установке на автомобиле оборудования GPS-системы. Таким образом, GPS-система реально экономит средства автовладельцев за счет гибких скидок по страхованию. Также становится все более популярной продажа автомобилей, оснащенных GPS-системой, в кредит. Большой интерес к GPS-системам возникает и у охранных фирм. Выше мы говори о том, как GPS-навигация облегчает работу спасательных и специальных служб. Так что хочется верить, что в недалеком будущем такой славный помощник будет у многих, если не у каждого[4].
Перечень сокращений:
AS - Anti Spoofing,
C/A - Coarse Acqusition,
GPS - Global Position System,
NAVSTAR - NAVigation Setelite Time and Range,
P-code - Protected,
PDOP - Position Dilution Of Precesion,
SA - Selective Avilability,
АСУС - Алгоритмы Системы Автоматизированного Управления Связью,
БПС,
ВРНС - Всемирная Радионавигационная Система,
ВТ- Высокая Точность,
ГЛОНАСС - Глобальная Навигационная Спутниковая Система,
ИМО - международная Морская Организация,
ИСЗ - Искусственный Спутник Земли,
ИТС,
КА - Космический Аппарат,
ЛНИРТИ - Ленинградский Научно - Исследовательский Радио технический Институт, НКА - Непилотируемый Космический Аппарат,
НКУ - Наземный Комплекс Управления,
НС - Навигационный Спутник,
ОГ - Орбитальная Группировка,
СРНС - Спутниковая Радио Навигационная Система,
СТ - Средняя Точность,
ЧВО - Частотно Временное Обеспечение.
Литература
1. http p h p 4 2 О cc ст i— с -1— t i-п; О Ч- С -I— :: i- t -Н
2. http //ru.wikipedia.org/wiki/GPS
3. http 4. http //kunegin.narod.ru/ref6/gps/histglo2.htm //www.gps-club.ru/gps think/detail.php?ID=2 0187
