Спутниковые навигационные системы

Спутниковые навигационные системы

Интенсивное развитие вычислительной техники и глобальных информационных сетей коренным образом изменило методы работы с картографической информацией. В технически развитых странах  широко внедряются географические информационные системы, эффективное использование которых требует получения дешевой, постоянно обновляемой информации об объектах Земли.

В настоящее время используются различные технологии получения картографических данных. Частично они основаны на оцифровке имеющихся карт разного масштаба (однако постоянно изменяющаяся ситуация на местности требует периодической актуализации данных), частично на методах, использующих непосредственные измерения на местности, или методах интерпретации данных дистанционного зондирования поверхности Земли. При измерении на местности также используются разные подходы. На участках, где проводипроводится интенсивная застройка и выполняется геодезическая съемка местности, используются данные, полученные в ходе съемки, на сельхозугодиях и лесных участках широко применяется съемка с использованием GPS (Global Positioning System – система глобального позиционирования).

Инициаторами разработки и реализации системы GPS были военные. Спутниковая сеть для определения координат в любой точке земного шара была названа Navstar (Navigation system with timing and ranging – навигационная система определения времени и дальности). Аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться также и в гражданских целях. Первоначально использовать систему GPS предполагалось только в навигационных целях, но исследования, проведенные учеными Массачусетского технологического института в 1976–1978 годах, показали, что измерения можно выполнять с миллиметровой точностью. И с этого времени началось использование системы для проведения геодезических измерений. С 1983 года система была открыта для использования в гражданских целях, а с 1991 года сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР.

Переломным моментом в истории применения GPS стало решение об отмене с 1 мая 2000 года режима селективного доступа (SA – selective availability) – искусственно вносимой в спутниковые сигналы погрешности для неточной работы гражданских GPS-приемников. После исключения вносимых ошибок с помощью недорогих приемников стало возможным определять координаты с точностью в несколько метров (ранее погрешность составляла десятки метров), что привело к широкому использованию GPS во многих сферах деятельности человека. 

Структурно система глобального позиционирования состоит из трех сегментов: космического сегмента – системы искусственных спутников Земли (ИСЗ); сегмента управления – сети наземных станций слежения и управления; аппаратуры потребителей – GPS-приемников.

Космический сегмент состоит из 24 спутников, вращающихся на 6 орбитах (рис. 1. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит – около 20 200 км, а период обращения – половина звездных суток (примерно 11 ч 58 мин). На борту каждого спутника находятся: приемопередающая аппаратура, 4 атомных стандарта частоты (2 цезиевых и 2 рубидиевых – резерв), солнечные батареи, двигателдвигатели корректировки орбит, компьютер.

Передающая аппаратура спутника излучает синусоидальные сигналы на двух несущих частотах: L1=1 575,42 МГц и L2=1 227,6 МГц. Сигналы модулируются псевдослучайными цифровыми последовательностями. Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа =1,023 МГц) и P-кодом (код санкционированного доступа =10,23 МГц), 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, поппоправки системного времени.

Код свободного доступа C/A (Coarse Acquisition) имеет частоту следования импульсов  1,023 МГц и период повторения 0,001 с, 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, и измерения по P-коду могут выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты P-кода: в любой момент без предупреждения 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 апаппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается в GPS-приемнике. Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен режим выборочного доступа SA (Selective Availability). Поскольку P-код передается на  двух  частотах (L1 и L2), а C/A-код – на одной (L1), в              GPS-приемниках, работающих по P-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по    P-коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.

Параметры орбит спутников периодически контролируются сетью наземных станций слежения, с помощью которых (не реже 1–2 раз в сутки) вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения спутников от расчетных траекторий движения, определяется время бортовых часов спутников, осуществляется мониторинг исправности навигационной аппаратуры. При этом для обнаружения отказов оборудования спутников с помощью наземных станций обычно требуется несколько часов. Сегмент управления содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), 5 станций слежения, расположенных в тропических широтах на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс. Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, кот которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения. Основной задачей наземных станций слежения является корректировка орбит спутников и уточнение их координат. От этого зависит в целом работа и точность системы.

Аппаратурой   потребителей   являются  всевозможные  GPS-приемники. 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 переводитсяв режим слежения, т. е. поддерживается синхронность между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться: по C/A-коду (одночастотный кодовый приемник), Р-коду (двухчастотный кодовый приемник), C/A-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник), Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник). Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой.

Принцип работы системы GPS заключается в следующем. Если известно расстояние А до одного спутника, то координаты приемника определить нельзя, так как он может находиться в лю любой точке сферы радиусом А, описанной вокруг спутника        (рис. 2). Пусть известна удаленность В приемника от второго спутника. В этом случае определение координат также не представляется возможным — объект находится на окружности, которая является пересечением двух сфер. Расстояние С до третьего спутника сокращает неопределенность в координатах до двух точек (обозначены двумя жирными точками (рис. 2). Этого уже достаточно для однозначного определения координат – дело в том, что из двух возможных точек расположения приемника лишь одна находится на поверхности Земли (или в непосредственной близости от нее), а вторая, ложная, оказывается либо глубоко внутри Земли, либо очень высоко над ее поверхностью. Таким образом, для трехмерной навигации теоретически достаточно знать расстояния от приемника до 3 спутников.

Однако вышесказанные подходы – для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников известны с абсолютной точностью. Разумеется, на практике всегда есть погрешность измерений – например, из-за неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и др. Поэтому для определения трехмерных координат               GPS-приемника используются не 3, а, как минимум, 4 спутника. Получив сигналот 4 (или более) спутников, GPS-приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор GPS-приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

Несмотря на многие преимущества, у GPS-систем есть и недостатки. Например, GPS-приемник может быть отключен в любой момент, кроме того, использование GPS-технологии подразумевает наличие электронных карт, которые в некоторых странах еще не разработаны.

Одним  из  доступных  для  гражданских пользователей GPS-приемников является Garmin GPS II+ (рис. 3). Его стоимость составляет 250–  300 долл., вес – 255 г, размеры –  59×127×41 мм (дисплей – 56×38 мм). Приемник работает от 4 батареек АА (ресурс – 24 ч непрерывной работы) или от внешнего источника, имеет 12 каналов, возможность ввода 500 путевых точек (20 маршрутов по 30 точек), встроенную карту Европы, возможность подключения выносной антенны.

В настоящее время в геодезических целях используются 3 спутниковые навигационные системы: американская NAVSTAR GPS (NAVigation System with Tune And Ranging Global Positioning System — навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования); российская система ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система) и система американской фирмы TRIMBLE (TRIMBLE NAVI-GATION).

Основой NAVSTAR GPS являются 24 спутника, из которых 2 резервных. В российской системе ГЛОНАСС также применяются 24 спутника. В настоящее время система ГЛОНАСС подвергнута коренной модернизации с целью повышения надежности и точности как спутниковой аппаратуры и станций слежения, так и рабочих геодезических приемников позиционирования, которые изготавливаются для потребителей.

Система TRIMBLE NAVIGATION обеспечивает определение географических координат с погрешностями в несколько сантиметров с помощью наземного портатипортативного (карманного размера) приемника радиосигналов менее чем за одну минуту времени нахождения на пункте. На орбитах находятся одновременно 36 спутников. Для реализации работы системы TRIMBLE NAVIGATION на территории Беларуси достаточно расположить три базовых опорных пункта с известными координатами. На опорных пунктах должна функционировать аппаратура, излучающая специальные радиосигналы для приемников позиционирования. Стоимость такой аппаратуры составляет около 200 тыс. долл.. Стоимость одного приемника равна приблизительно        700 долл.. Плата за использование сигналов базовых пунктов зависит от количества реализаций позиционирования. Система TRIMBLE NAVIGATION обладает высокой точностью и быстродействием. Однако ее внедрение на территории Республики Беларусь пока не предусматривается, поскольку зависит от руководящих структур, определяющих научно-техническую политику в области внедрения современных и перспективных технологий в геодезию и от органов, разрешающих практическое использование спутниковых приборов позиционирования.

В сложившейся ситуации при  выборе спутниковой  аппаратуры  позиционирования   для  геодезического обеспечения  ГИС  в лесном    хозяйстве приходится ориентироваться на системы NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС.

Каждая из двух систем состоит из трех сегментов: космический сегмент (навигационные спутники); сегмент контроля и управления (наземные станции слежения); сегмент пользователей (приемники позиционирования-приема сигналов со спутников).

Современные системы GPS и ГЛОНАСС в полной комплектации должны состоять каждая из 24 спутников, из них 21 действующий и 3 резервные. Орбиты спутников GPS практически круговые, расположены на расстоянии 26 560 км от центра масс Земли. Период обращения спутников GPS равен 11 ч 58 мин. Они равномерно распределены по 4 в шести орбитальных плоскостях (через 600). Наклон орбит относительно плоскости экватора равен 55º.

Спутники ГЛОНАСС распределены равномерно по 8 в трех орбитальных плоскостях. Радиус орбит 25 510 км, время обращения 11 ч 15 мин. Наклон орбит 64,8º.

Такое размещение спутников обеспечивает одновременное наблюдение как минимум 4 спутников в любой точке Земли.

Спутники оснащены двумя солнечными батареями площадью по 7,2 м2 и электрическими аккумуляторами, обобеспечивающими работоспособность аппаратуры во время их нахождения в тени Земли. Для максимально точного определения времени и стабилизации частот радиосигналов каждый спутник снабжен кварцевым эталоном частоты, а также двумя цезиевыми и двумя рубидиевыми эталонными генераторами частоты, которые поддерживают стабильность бортовых часов с точностью не менее 10–12 с, а также стабильность частоты кварцевого генератора 10,23 МГц. Данная частота служит опорной при формировании частот излучения спутника:

 L1=10,23 · 154=1575,42 МГц   (λ2=19,03 см).                      (6)

 L2=10,23 · 120=1227.60 МГц   (λ2=24,42 см).                      (7)

На указанные частоты накладывается информация методом импульсно-фазовой модуляции. В системе NAVSTAR GPS все спутники излучают на двух одинаковых частотах L1 и L2, но модулируют присвоенный им код (номер спутника).

Наземный сегмент системы GPS состоит из главной станции слежения (в штате Колорадо США) и пяти станций слежения, распределенных по окружности Земли. На главной станции контроля обрабатывается вся информация от спутников, рассчитываются их орбиты, поправки в часы спутника, формируютнавигационные сообщения не менее трех раз в сутки. В свою очередь, каждый спутник передает навигационное сообщение, модулированное в сигналах L1 и L2. В навигационных сообщениях даются координаты спутника на моменты времени, интересующие потребителя. Навигационные сообщения обновляются через каждый час.

Известно, что основное назначение системы GPS – военное. По решению Министерства обороны США данная система может быть выведена из использования потребителями  в гражданских целях. При этом они вносят искажения в навигационные координаты спутников, в показаниях их часов, а несущая частота кодируется Р-кодом.  Только  военные  приемники  имеют  доступ  к Р-коду, чтобы исключить все искажения. При включенном Р-коде вносятся искажения в навигацию и гражданские приемники могут определять координаты точки с погрешностью до 150 – 200 м. В системе ГЛОНАСС искажения не вносятся и любой пользователь может определить координаты своей позиции с погрешностью не более 20 м.