Принципы построения глобальной спутниковой системы позицирования (GPS)

Современные спутниковые системы позицирования типа GPS включают в себя сектора (рис. 2.3):

  • — космический сектор;
  • — сектор управления и контроля;
  • — сектор потребителя.
Схема взаимодействий трех секторов системы GPS

Рис. 2.3. Схема взаимодействий трех секторов системы GPS

Особенности построения и функционирования космического сектора неразрывно связаны с общими требованиями, которые предъявляются ко всей спутниковой системе позицирования. Первоначальное назначение системы — обеспечение задач Министерства обороны США, затем функции ее расширились, и она стала применяться для решения других задач, в том числе геодезии и топографии.

При эксплуатации спутниковой системы и обобщении опыта ее использования были сделаны следующие выводы:

  • — высота орбиты 20 000 км является наиболее оптимальной;
  • — для обеспечения возможности одновременных наблюдений не менее 4 спутников в любой точке земного шара необходимо, чтобы «созвездие» спутников было около 24;
  • — для минимизации влияния геометрии расположения наблюдаемых спутников на точность измерений количество орбит и места расположения на них спутников должны обеспечивать по возможности равномерное их распределение в поле обозреваемого небосвода.

Исходя из этого в системе GPS шесть близких к круговым орбитам спутниковых систем (рис. 2.4), плоскости которых смещены относительно друг друга на 60°. В каждой соседней орбитальной плоскости положение спутников смещается примерно на 40°. На спутниках установлена вся необходимая аппаратура для обеспечения работы системы GPS и нормального функционирования самого спутника как космического объекта с известными координатами, с которого передается информация.

К такой получившей название навигационной информации относятся эфемериды (координаты) спутника, поправки за показания часов конкретного спутника, время, характерное для системы GPS, поправки за влияние ионосферы, состояние работоспособности спутника и другая вспомогательная и служебная информация.

Весь этот комплекс информации формируется в виде строго предписанной последовательности, составляющей содержание навига-

Спутниковая навигационная система ЫАУ8ТА1ЮР8 (а); навигационный спутник ЫАУ8ТА1ЮР8 (б)

Рис. 2.4. Спутниковая навигационная система ЫАУ8ТА1ЮР8 (а); навигационный спутник ЫАУ8ТА1ЮР8 (б)

ционного сообщения. Формат сообщения — это кадр, разделенный на пять субкадров, которые часто называют строками.

Каждая строка содержит 10 стандартизованных слов, состоящих из 30 бит. Длительность передачи одного бита — 0,02 с, одного слова — 0,6 с, одной строки — 6 с, а всего кадра — 30 с.

Содержание первого, второго и третьего субкадра (рис. 2.5) повторяются через каждые 30 с. Четвертый и пятый субкадры содержат достаточно большой объем информации об эфемеридах и об альманахе, включающем в себя краткую информацию обо всем «созвездии» спутников. Она состоит из 25 страниц, и на передачу затрачивается 12,5 мин.

Каждый субкадр, содержащий сигнал синхронизации и некоторую диагностическую информацию, начинается со слова TLM. Второе слово в каждом субкадре — ключ к распознанию спутника (типа HOW).

Передача ведется на частотах L и L2.

Сектор управления и контроля необходим для поддержания работоспособности всего космического сектора и для систематического обновления передаваемой потребителю информации.

Структура навигационного сообщения системы GPS

Рис. 2.5. Структура навигационного сообщения системы GPS

Сектор выполняет следующие функции:

  • — отслеживает всю информацию, передаваемую спутниками;
  • — производит обобщение и анализ ее с целью своевременной корректировки всех используемых при дальнейшей обработке показателей;
  • — предсказывает на основе анализа эфемериды со спутников и точное время со спутников потребителям;
  • — формирует обновленные навигационные сообщения и передает их на соответствующие спутники через строго определенные интервалы времени;
  • — выявляет неисправности в работе спутников и принимает меры по их устранению;
  • — осуществляет корректировку орбит.

Рабочий сектор управления и контроля GPS системы состоит из одной ведущей станции управления, пяти станций слежения и трех загружающих станций.

Сектор потребителя GPS представляет приемно-вычислительный комплекс. Эксплуатируемая система GPS ориентирована на ее использование военными и гражданскими пользователями. Гражданские пользователи подразделяются на использование в навигации и геодезии.

К основным функциям находящегося в распоряжении потребителя приемно-вычислительного комплекса могут быть отнесены следующие:

  • — прием радиосигналов;
  • — организация определений регистрируемых величин;
  • — выполнение предварительной обработки полученных результатов измерений непосредственно на пункте;
  • — проведение в камеральных условиях так называемой пост-обработки, позволяющей получить окончательные значения величин.

Наряду с перечисленными основными функциями аппаратура потребителя решает и вспомогательные задачи:

  • — селекция радиосигналов от конкретных спутников, захват отделенного сигнала и его отслеживание на протяжении сеанса наблюдений;
  • — демодуляция и декодирование принятых сигналов с целью их подготовки к выполнению измерений;
  • — расшифровка навигационного сообщения;
  • — текущее управление всем процессом наблюдений и выполняемых в полевых условиях измерений;
  • — предварительная обработка результатов измерений и организация их хранения с использованием устройств памяти;
  • — контроль за состоянием работоспособности всего приемного комплекса (самодиагностика), включая и контроль источников питания.

Одна из функций GPS-приемника заключается в разделении сигналов, полученных от различных спутников. Она решается путем введения в схему приемника соответствующего количества каналов. Каждый канал обрабатывает информацию только одного спутника и должен быть приспособлен для выделения интересующего сигнала из всей совокупности. Чаще всего применяют пространственные, временные или частотные методы селекции.

В системе GPS использован нестандартный метод разделения сигналов, получивший название структурной селекции — используется различие в структуре кодовых сигналов.

Разделение сигналов, их дальнейшее отслеживание и измерение соответствующих параметров, свойственных сигналам, осуществляется на основе работы блоков автоматической подстройки времени (АПВ), автоматической подстройки частоты (АПЧ) и автоматической подстройки фазы (ФАПЧ), а также на основе использования характерных для каждого спутника и для каждой несущей частоты

Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС (а), навигационный

Рис. 2.6. Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС (а), навигационный

спутник ГЛОНАСС (б)

соответствующих кодовых сигналов (для частоты L1 — С/А-кода, а для частоты L2 — Р-кода).

В отечественной спутниковой системе ГЛОНАСС применен частотный метод селекции. Каждый спутник излучает сигнал, характерный только для него (рис. 2.6).

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >