2015-05-30
444Основне завдання супутникових радіонавігаційних систем (СРНС) - визначати в глобальных земних масштабах трьохмірні координати користувачів і їх швидкість, якщо ці об'єкти рухаються. Ще одним завданням є точна координація часу в масштабах планети, тобто визначення так званого всесвітнього скоординованого часу (Universal Time Coordinated, UTC).
Серед прикладів реалізованих СРНС - американська GPS і російська (колишня радянська) ГЛОНАСС, а також проектована в ЄС аналогічна система під назвою Galileo. Схожі системи або їх сегменти розроблюються в Індії, Китаї і деяких інших країнах. Активно обговорюється взаємодія різних СРНС між собою, проте це питання доки не можна вважати повністю вирішеним. На сьогодні обидві функціонуючі СРНС надають міжнародній спільноті можливість безкоштовного прийому своїх сигналів, хоча на практиці рядовий споживач частіше використовує сигнали GPS завдяки дещо кращого покриття земної поверхні і, головне, більшої доступності (дешевизни) приймачів GPS.
Прості приймачі GPS вже досить широко використовуються споживачами України для визначення поточного місця розташування, що дуже зручно для орієнтування на місцевості.
На рисунку 3 показана структурна схема системи GPS. Вона складається з наземного і космічного сегментів. Іноді виділяють і третій сегмент – користувальницький.
Рисунок 3 - Структурна схема системи GPS
Наземний, або контролюючий, сегмент GPS призначений для уп-равління супутниками, а також введення поправок з метою підтримки єдиного часу і єдиної опорної частоти в системі. Сегмент складається з ряду станцій контролю і управління, розташованих, по можливості, рівномірно по усій території Землі, з центром управління в США (уся система GPS контролюється тільки владою США.
Космічний сегмент GPS складається з 24 супутників, що обертаються в шести орбітальних площинах на висоті близько 20 тис. км. Вони забезпечують покриття практично будь-якої точки земної поверхні у будь-який час доби. Установлені на супутниках атомні стандарти частоти 10,23 Мгц постачають системі високостабільні опорні сигнали (іноді зкориговані поправками наземного сегменту).
Передавальне обладнання супутників виконує передачу навігаційних і службових даних на двох несівних частотах L1 і L2, відповідно рівних 1575,42 і 1227,60 Мгц. Дані передаються у вигляді кількох двійкових кодів, що модулюють фазу сигналів несівних частот. При цьому тільки сигнал частоти L1 модулюється індивідуальним для кожного супутника кодом, що має позначення С/А (Coarse/Acqui- sition - отримання даних зі зниженою точністю, хоча штучне зниження точності коду С/А останнім часом в GPS вже не здійснюється). Сигнали з кодом С/А - єдині доступні для загального використання. Інший вживаний код (так званий Р-код) модулює сигнали обох несівних, але він не призначений для загального застосування і рядовим користувачам його декодування недоступне.
Користувальницький сегмент оснащений приймачами сигналу GPS (випускаються сотні, якщо не тисячі різноманітних моделей оптимальних для рішення тих або інших завдань).
Усі приймачі, в залежності від кількості одночасно відстежуваних супутників, діляться на дві основні групи: багатоканальні (або паралельні) і одноканальні (або послідовні). На сьогодні практично усі приймачі є багатоканальними, тобто одночасно здатні відстежувати багато (як правило, від 8 до 24) спутників, що дозволяє забезпечити відсутність перерви в зв'язку, характерної для послідовних приймачів при переході від одного супутника до іншого, а також надає ряд інших важливих переваг.
Визначення географічних координат - не єдина, хоча і найбільш широко поширена в геодезії і картографії, функція приймачів сигналів супутникових радіонавігаційних систем. В останні роки навігаційні системи на основі GPS активно використовуються для вирішення завдання точної посадки авіатранспорту в умовах відсутності видимості і т. п. Поза сумнівом той факт, що комплексне застосування таких систем надасть транспортним засобам небачені досі можливості. Крім того, можливості GPS як джерела еталонного сигналу точних частоти і часу, використовуються для вирішення завдання створення і експлуатації мереж синхронізації цифрових мереж зв’язку.
Супутники GPS обладнані високостабільними атомними стандартами частоти. У більшості випадків - це цезієві стандарти частоти з відносною довгостроковою нестабільністю не більше 1х10-12. Час системи GPS з високою точністю пов'язаний з UTC, відрізняючись при цьому по абсолютному значенню на кілька секунд.
Приймачами GPS можуть вважатися як, власне, приймальні модулі, які приймають і декодують сигнали GPS, так і закінчені вироби - стандарти частоти або генератори безперервних коливань (синусоідальної або спеціальної форми) з частотою, "прив'язаною" до частоти GPS. Останні містять у своєму складі приймальні модулі, а також додаткові пристрої на основі кварцевих або рубідієвих генераторів. Такі стандарти частоти поєднують у собі переваги різних автономних стандартів з відносно невисокою вартістю. Наприклад, рубідієвий стандарт частоти СЧР- 102, виробництва Української компанії "Інформаційні системні технології", забезпечує як короткочасну нестабільність рубідієвого стандарту (3х10-12 за 1 с), так і аналогічну довготривалу (добову) нестабільність якраз за рахунок використання вбудованого модуля приймача GPS, що коригує частоту рубідієвого генератора.
Типовий приймальний модуль GPS призначений для відслідковування одночасно 8 або 12 супутників, напруга його живлення складає 3 або 5 В при величині струму близько сотень міліампер.
Висока точність міток часу в GPS досягається тільки на тривалих часових інтервалах (кілька годин, доба) шляхом статистичної обробки сигналів супутникових радіонавігаційних систем. Для того, щоб досягти аналогічного рівня стабільності частоти протягом короткого інтервалу часу (секунди), до приймача GPS необхідно додати генератор безперервних коливань. В стандартах частоти на основі GPS для періодичного коригування внутрішнього рубідієвого генератора використовується відомий механізм фазового автопідстроювання частоти (ФАПЧ). Спрощено можна сказати, що схема ФАПЧ порівнює положення в часі (фазу) вихідного секундного імпульсу модуля приймача GPS з фазою такого ж секундного імпульсу, отриманого від ділення до 1 Гц частоти рубідієвого генератора. Виходячи з величини різниці фаз імпульсів, виробляється управляючий сигнал для підстроювання частоти рубідієвого генератора, який може зменшити виміряну різницю фаз аж до нуля.
Таким чином, забезпечується сигнал з необхідною як короткочасною (за рахунок рубідієвого генератора), так і довготривалою (за рахунок підстроювання по сигналах GPS) нестабільністю частоти. Стандарти частоти на основі різних керованих генераторів, з деякими функціональними доповненнями, є якраз тим обладнанням, яке необхідне для побудови мереж синхронізації в цифрових мережах електрозв'язку, включаючи мережі GSM, CDMA, передачі даних та ін. У цьому випадку джерела на базі GPS використовуються як генератори синхросигналів високої стабільності. Враховуючи, що сигнал GPS у своєму складі несе інформацію про єдиний час UTC, приймачі GPS можуть з успіхом використовуватися як генератори системи часової синхронізації, тобто пристроїв, в яких акумулюється інформація про точний час.
Функціональна схема стандарту частоти на основі GPS наведена на рисунку 4.
