Структура системы
С появлением радиолокационных станций стало возможным измерять параметры движения и относительное местоположение объекта по отражённому от его поверхности лучу радиолокатора. Встал вопрос о возможности измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. В 1957 году в СССР, группа учёных под руководством В.А. Котельникова экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника Земли (ИСЗ) по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи — нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого спутника известны[1,2].
Таким образом, искусственный спутник Земли становится радионавигационной опорной станцией, координаты которой изменяются во времени вследствие движения спутника по орбите, но заранее могут быть вычислены для любого момента времени благодаря эфемеридной информации, заложенной в навигационном сигнале спутника.
В СССР в 1963 году начались работы по построению первой низкоорбитальной навигационной спутниковой системы «Цикада». В 1967 году на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192»
В США в 1964 году создаётся доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения «Transit». Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 г. Так же, как и в системе «Цикада», в системе «Transit» координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников. ИСЗ систем имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли ~ 1100 км, период обращения спутников «Transit» равен 107 минутам. Точность вычисления координат источника в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости источника. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 с, то это в свою очередь приведёт к ошибке определения координат ~ 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м.
Основными недостатками данных систем были недостаточная точность определения координат динамичных объектов и отсутствие непрерывности в измерениях, время между прохождением различных спутников зоны видимости потребителя зависит от географической широты, на которой он находится, и может составить величину от 35 до 90 минут.
В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом (PRN). Корреляционные свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных спутников. Позднее, в 1973 году две программы были объединены в одну общую под названием «Navstar-GPS» [3]. К 1996 году развёртывание системы было завершено. В данный момент доступно 28 активных спутников
В СССР лётные испытания высокоорбитальной спутниковой навигационной системы Глонасс начались в 1982 году запуском спутника «Космос-1413» [4]
Рисунок 1. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем Глонасс и GPS.
Система в целом включает в себя три функциональные части
космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);
сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;
аппаратура пользователей системы.
Обе системы являются беззапросными, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции — навигационных определений, — система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку.
Рисунок 2. Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS.
Как было сказано выше, орбитальная группировка GPS состоит из 28 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км.
Структура навигационных радиосигналов системы GPS
В системе GPS используется кодовое разделение сигналов (СDMA), поэтому все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы GPS излучает два фазоманипулированных сигнала. Частота первого сигнала составляет L1 = 1575,42 МГц, а второго — L2 = 1227,6 МГц. Сигнал несущей частоты L1 модулируется двумя двоичными последовательностями, каждая из которых образована путём суммирования по модулю 2 дальномерного кода и передаваемых системных и навигационных данных, формируемых со скоростью 50 бит/с. На частоте L1 передаются две квадратурные компоненты, бифазно манипулированные двоичными последовательностями. Первая последовательность является суммой по модулю 2 точного дальномерного кода Р или засекреченного кода Y и навигационных данных. Вторая последовательность также является суммой по модулю 2 грубого С/A (открытого) кода и той же последовательности навигационных данных.
Радиосигнал на частоте L2 бифазно манипулирован только одной из двух ранее рассмотренных последовательностей. Выбор модулирующей последовательности осуществляется по команде с Земли.
Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С/A и Р(Y), что и позволяет разделять спутниковые сигналы. В процессе формирования точного дальномерного Р(Y) кода одновременно формируются метки времени спутникового сигнала.
Состав и структура навигационных сообщений спутников системы GPS
Структурное деление навигационной информации спутников системы GPS осуществляется на суперкадры, кадры, подкадры и слова. Суперкадр образуется из 25 кадров и занимает 750 с (12,5 мин). Один кадр передаётся в течение 30 с и имеет размер 1500 бит. Кадр разделён на 5 подкадров по 300 бит и передаётся в течение интервала 6 с. Начало каждого подкадра обозначает метку времени, соответствующую началу/окончанию очередного 6-с интервала системного времени GPS. Подкадр состоит из 10 30-бит слов. В каждом слове 6 младших разрядов являются проверочными битами.
В 1-, 2- и 3-м подкадрах передаются данные о параметрах коррекции часов и данные эфемерид КА, с которым установлена связь. Содержание и структура этих подкадров остаются неизменными на всех страницах суперкадра. В 4- и 5-м подкадрах содержится информация о конфигурации и состоянии всех КА системы, альманахи КА, специальные сообщения, параметры, описывающие связь времени GPS с UTC, и прочее.
Определение координат потребителя
Для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени.
Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации.
Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае траектория полёта КА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задаётся узловой момент времени, значение которого сообщается потребителю навигационной информации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели оскулирующих элементов на узловой момент времени, а также параметры функций, аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во времени как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним.
В аппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом времени, на который нужно определить положение спутника, и узловым моментом. Затем с помощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из навигационного сообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих элементов на нужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул кеплеровской модели определяют координаты и составляющие вектора скорости спутника.
Дифференциальный режим
Спутниковые навигационные системы позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 10–15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая точность. Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений.
Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м — в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приёмника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приёмник. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.
Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя.
Аппаратурная реализация
Рисунок 4. Обобщённая структура приёмника
Рисунок 5. Обобщённая структура приёмника
Как правило, типовой приёмник сигналов систем ГЛОНАСС/GPS состоит из пяти функциональных частей:
антенной системы;
радиочастотной части;
цифрового блока корреляционной обработки;
навигационного процессора.
пользовательского интерфейса
Рисунок 6. Блок схема Acutime 2000
На рисунке 6 представлена внутренняя блок схема применяемого в работе GPS приёмника фирмы Trimble Acutime 2000, специально разработанного для работы в системах точного времени. Для этого в данном приёмнике имеется выход (1 pulse per second, PPS), на который подаются временные метки 1 раз в секунду.
Данный приёмник представляет собой 8 канальный одночастотный GPS приёмник. В качестве внутреннего генератора использован кварцевый генератор с частотой 12,504 МГц.
Рисунок 8. Ошибка секундного импульса
При использовании такого генератора возникают ошибки «квантования» см. рис. 8, но они меньше чем ошибки определения местоположения. Ошибка определения координат достаточно большая и это связанно с тем, что данный приёмник использует открытый, неточный дальномерный код. Точность определения времени порядка 50 нс, или координат порядка 15 метров.
Используемый GPS приёмник использует для связи протокол RS-422, поэтому связь с персональным компьютером осуществляется при помощи преобразователя уровней RS — 422 — RS — 232. Протокол связи Trimble serial input protocol (Tsip) представляет широкие возможности конфигурации и настройки приёмника.
Для начального ознакомления и конфигурации GPS приёмника можно использовать стандартную программу, поставляемую фирмой Trimble. Внешний вид окна представлен на рисунке 9.
Рисунок 9. программа фирмы Trimble
Литература
Поваляев Е., Хуторной С. Системы спутниковой навигации ГЛОНАСС и GPS, Chip News №10,2001.
Радиотехнические системы. Под ред Казаринова Ю.М. М.: Высшая Школа, 1990.
Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз,2000.
Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под ред. Харисова В.Н., Перова А.И., Болдина В.А. М.: ИПРЖР, 1998.