Общие принципы функционирования спутниковых навигационных систем

В результате проведения инструментальных наземных геодезических работ, предполагающих получение координат углов поворотов границ земельных участков и т.п. на современном этапе приемники GPS (Глобальная Система Позиционирования), позволяющие получить данные о местоположении по информации со спутников. Для обработки результатов геодезических измерений применяются специальные программные продукты, позволяющие затем экспортировать обработанную информацию в геоинформационные системы.

СВОИМ появлением на свет спутниковая навигационная система Global Positioning System (GPS) обязана американскому военно-промышленному комплексу. И возможность «видеть» свои точные координаты человечеству подарило правительство США — 1 мая 2000 года по распоряжению из Белого Дома министерство обороны отменило особые условия пользования системой GPS, существовавшие до тех пор. Американцы наконец выключили помеху, искусственно загрублявшую гражданские GPS-приемники, точность определения координат с помощью бытовых навигаторов возросла как минимум в 15 раз, а лавина конверсионных спутниковых технологий накрыла весь мир...

Современное навигационное обеспечение объектов, в основном базируется на использовании навигационных сигналов, излучаемых со спутников космической навигационной системы. На основе получаемых навигационных сигналов с помощью соответствующей аппаратуры потребитель определяет свое местоположение.

На сегодняшний день в мире существуют только две функционирующие глобальные навигационные спутниковые системы — ГЛОНАСС (РФ) и Navstar, больше известная как GPS (США). Сейчас только они могут самостоятельно обеспечивать свои потребности в спутниковой навигации, проводить в этой области независимую политику, то есть гарантировать свой навигационный суверенитет.

В перспективе (после 2015 года) ожидается увеличение орбитальных группировок навигационных космических аппаратов всех стран, имеющих или создающих глобальные спутниковые навигационные системы: ГЛОНАСС (РФ), GPS (США), Galileo (ЕС), COMPASS (Китай). В каждой из них будет насчитываться до 30 космических аппаратов. При этом проект ЕС испытывает серьезные трудности — и финансовые, и организационно-технические. Поэтому, по последним оценкам, срок создания Galileo отодвигается до 2017-2018 годов. Постоянный перерасход бюджета европейского проекта и удлинение сроков его реализации, похоже, лишают Galileo какой-либо экономической целесообразности.

Такой вывод обозначен в докладе, представленном на заседании правительства Германии, которое рассматривало создание навигационной системы в октябре 2010 года. Также ведутся работы по развитию и созданию региональных навигационных спутниковых систем в США (WAAS), России (СДКМ), Европе (EGNOS), Индии (GAGAN), Китае (Beidou), Японии (QZSS) и Тайване (TRNSS).

Глобальные (спутниковые) навигационные системы ГЛОНАСС (Россия), GPS (США), Galileo (Евросоюз) – дают возможность определить, с помощью приборов-навигаторов, в том числе и портативных, текущее местоположение (координаты), дату и время, траекторию и скорость движения объектов на суше и на море, а так же в околоземном пространстве.

Российская ГЛОНАСС (Glonass) функционирует с начала 90-х годов. Введена в эксплуатацию в сентябре 1993г с орбитальной группировкой ограниченного состава (12 навигационных космических аппаратов (КА)). В декабре 1995 г. орбитальная группировка развернута до штатного состава (24 КА). Распоряжением Президента Российской Федерации от 18 февраля 1999 г. № 38-рп система ГЛОНАСС определена как система двойного назначения. Вывод спутников на орбиту был начат с 1982 года. Сейчас в составе орбитальной группировки – порядка двух десятков действующих спутников. По проекту, спутниковую группировку составят три десятка космических аппаратов, включая резервные (для функционирования системы достаточно работы 24-х спутников).

Новые спутники третьего поколения ГЛОНАСС-К имеют срок службы, примерно, 10 лет. Они будут выводиться на орбиту с 2010 года. Аппараты серии ГЛОНАС-М, запускаемые сейчас, имеют ресурс 7 лет и будут эксплуатироваться, как минимум, до 2015 года, с их соответствующей точностью, с постепенной заменой на новые. Каждый спутник делает, примерно, два оборота в сутки вокруг земли. Высота трёх круговых орбит, от земной поверхности – порядка 19 тыс.км.

С 2007 разрешено применение ГЛОНАСС для гражданских нужд. Сейчас система работает на всей территории России, внедряется и применяется на транспорте, в том числе и пассажирском, для мониторинга и оптимизации графика движения автотранспорта и повышения эффективности грузоперевозок диспетчером автохозяйства.

Американская GPS (Global Positioning System) известна и под другим названием – NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging). Полнофункциональную работу начала с 1995 года, но применялась уже в ходе войны в Персидском заливе в 1991 г. Состоит из, примерно, 30 спутников на 6 орбитах. С 2000 г в США снят запрет (режим селективного доступа для гражданских потребителей) на определение точных координат с помощью сигнала GPS, что заметно уменьшило погрешность измерений горизонтальных координат – до нескольких метров.

Каким образом GPS-приемник «общается» со спутниками?

В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность. Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Каждый из спутников постоянно передает на Землю навигационные сигналы (система GPS использует две частоты — 1227 и 1575 МГц), в которых псевдослучайным кодом зашифрована информация о взаимном расположении всех спутников навигационной группировки (так называемый альманах), — очень точные индивидуальные поправки к своей орбите (эфемериды) и другую служебную информацию.

Эфемеридами называются координаты искусственных спутников Земли, используемых для навигации, например в системе NAVSTAR (GPS), ГЛОНАСС, Galileo.

Бортовые эфемериды навигационных спутников (board ephemeris) – сведения о местоположении навигационных спутников на орбите, передаваемые в составе измерительной информации… бортовые эфемериды являются результатом обработки измерений, выполняемых сегментом управления, и загружаемые им на спутники несколько раз в сутки.

Точные эфемериды положения навигационных спутников на орбите (precise ephemeris) – сведения о местоположении навигационных спутников на орбите, получаемые после проведения траекторных измерений, описывающие реальное движение навигационных спутников.

Данные альманаха не изменяются в течение нескольких месяцев, эфемерид же устаревает уже через полчаса.

Космические сигналы принимаются GPS-приемником, находящемся в какой-либо точке земной поверхности, координаты которой нужно определить. В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник-приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ (Рис.2). Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) 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 (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому “системному времени”. Эталон времени GPS- приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений.

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”. Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника D t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.