Принцип работы системы GPS

Космический сегмент

Орбитальная группировка

Космический сегмент образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных НКА и 3-х резервных НКА. НКА находятся на 6 круговых орбитах высотой примерно 20000 км, наклонением 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. Схематично размещение НКА на орбитах на 19.1.1999 г. может быть проиллюстрировано рис.2.

Picture 3.

Рис. 2. Размещение НКА GPS на орбитах

Состояние орбитальной группировки на 7.02.2000 г. может характеризоваться следуюшей табл. 1:

Таблица 1. Состояние орбитальной группировки
Номер кода 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 13 14 15
Плоскость, точка F4 B3 C2 D4 B4 C1 C4 A3 A1 E3 D2 F5 E1 D5
Время CS CS CS RB CS CS RB CS CS CS RB RB CS CS
Номер кода 16 17 18 19 21 22 23 24 25 26 27 29 30 31
Плоскость, точка E5 D3 F3 A5 E2 B1 E4 D1 A2 F2 A4 F1 B2 C3
Время CS CS CS CS CS RB CS RB CS RB CS RB CS CS

В ней буквами А, В, С, D, Е, F обозначены шесть орбитальных плоскостей; обозначения CS и RB приняты соответственно для цезиевого и рубидиевого стандартов частоты, определяющих местное время НКА.

Навигационный космический аппарат

Система GPS последовательно базировалась и базируется (табл. 1) на постоянно совершенствуемых НКА Блок-I, Блок-II Блок-IIA. В настоящий период начался запуск НКА Блок-IIR, которым в следующем тысячелетии будут наследовать НКА Блок-IIF. В табл. 2 приведены характеристики указанных НКА.

Таблица 2. Характеристики НКА
Тип НКА
Масса на орбите, кг
Мощность энергоисточников, Втасса на орбите, кг
Расчетный срок активного существования, лет
Год запуска первого НКА
Блок-I 525 440 - 1978
Блок-II 844 710 5,0 1989
Блок-IIR 1094 1250 7,5 1997
Блок-IIF - - 14-15 2001-2002

В состав бортового оборудования НКА входят следующие подсистемы: синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые "часы" (на НКА Блок-II используются два рубидиевых со стабильностью 5*Е-13 и два цезиевых стандарта частоты со стабильностью 2*Е-13), бортовое вычислительное устройство в составе основной и двух резервных ЭВМ, подсистемы ориентации в процессе наведения и на орбите, телеметрии, приема команд и ретрансляции сигналов наземного комплекса управления, терморегулирования и электропитания. Антенная система в линии передачи данных использует конические и спирально-конические антенны. Для передачи навигационных сигналов используются фазированные антенные решетки из спиральных излучающих элементов.

На НКА имеются также двигатели для коррекции орбиты и двигатели системы ориентации. Ориентация в пространстве осуществляется с помощью системы специальных датчиков. Подсистема телеметрии включает радиолинии передачи данных о состоянии бортовой аппаратуры в сегмент управления. По этим же линиям с земли поступают поправки к эфемеридам и показаниям бортовых "часов". Для точного определения орбит НКА используется запросный метод и на НКА аппаратура ретрансляции запросных сигналов с земли. По соответствующим измерениям задержки этих сигналов осуществляется точное определение параметров орбит и параметров движения НКА.

Опытные НКА №1-11 (Блок-I) были сконструированы так, чтобы обеспечивать нормальную работу по определению места в течение 3-4 дней без контакта с землей. Оперативные НКА получили наименование Блок-II, Блок-IIA, Блок-IIR. НКА Блок-II (№ 13-21) должен был обеспечивать местоопределение без контакта с землей в течение 14 дней. НКА Блок-IIA (№22-40) должны обеспечивать функционирование системы в течение 180 дней без контакта с землей.

Повышение автономности работы достигается за счет прогнозирования и компенсации погрешностей координатно-времеиного обеспечения НКА на коротком и длительном интервалах работы, обеспечиваемых за счет записи большого количества данных в памяти бортового компьютера НКА. В первом случае, через 14 дней погрешности местоопределения могут достигать 425 м (сферическая вероятная ошибка, СВО), во втором случае, через 180 дней СВО может достичь величины 10 км.

НКА Блок-IIR (№41-66) должен обеспечивать местоопределение без контакта с землей по крайней мере в течение 14 дней при работе совместно с НКА Блок-IIA и в течение минимум 180 дней с работающей системой автономной навигации (Autonav) при работе только спутников Блок-IIR.

Отметим также, что на бортах НКА Блок-ЦК, размещаются средства межспутниковой связи, обмена данными и измерения взаимных дальностей, позволяющие проводить автономную синхронизацию "часов"НКА и автономное уточнение параметров орбит. Именно эти средства и предназначены для обеспечения автономной работы СРНС в течение 180 дней без существенного ухудшения точности определения координат (16м, СВО) с удовлетворением предъявляемым требованиям по устойчивости функционирования. Следует заметить, что эта способность может быть реализована лишь после запуска необходимого числа НКА Блок-IIR.

Подсистемы терморегулирования включают теплоотводящие панели и электронагревательные элементы. Энергопитание осуществляется от панелей солнечных батарей. В период прохождения через тень Земли применяются никель-кадмиевые аккумуляторы.НКА Блок-IIF предназначены для замены НКА Блок-IIR, предполагают увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование структуры сигнала и координатно-временного обеспечения НКА.

Структура навигационных радиосигналов

Передатчики НКА GPS излучают два непрерывных сигнала на частотах L1 и L2. Несущая частота L1 состоит из двух компонентов, которые находятся по фазе в квадратуре друг к другу (сдвинуты на п/2) для удобства их разделения. Первая - модулируются двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный Р-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Вторая - также модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный С/А-код и информационная последовательность), складывающимися по модулю 2. Обе информационные последовательности содержат информацию об эфемеридах НКА, системном времени, поведении "часов" НКА, статусе сообщения и др.

Picture 2.

Рис. 3. Кодирование сигнала

Передатчики НКА GPS излучают два непрерывных сигнала на частотах L1 и L2. Несущая частота L1 состоит из двух компонентов, которые находятся по фазе в квадратуре друг к другу (сдвинуты на п/2) для удобства их разделения. Первая - модулируются двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный Р-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Вторая - также модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный С/А-код и информационная последовательность), складывающимися по модулю 2. Обе информационные последовательности содержат информацию об эфемеридах НКА, системном времени, поведении "часов" НКА, статусе сообщения и др.

Несущая частота L2 имеет один компонент и модулируется двумя двоичными последовательностями (как правило, дальномерный псевдослучайный Р-код или С/А-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Здесь также предусмотрен режим использования только Р(Y)-кода, когда информационная последовательность вообще не передается. Во всех случаях скорость передачи данных информационных последовательностей 50 бит/с. Используется фазовая манипуляция несущих частот (bi-phase shift key, BPSK).

Основным навигационным даяьномерным псевдослучайным кодом является точный Р-код. При включении режима А/S (Antispoofing) вместо этого кода будет использоваться закрытый код Р(Y), введенный впервые для НКА Блок-II.

В распоряжении мирового сообщества находится открытый псевдослучайный код С/А (С1еаг (Соarse)/Асquisition), иногда переводимый как "легкий (грубый) захват", который сначала использовался для первого вхождения в режим слежения с последующим переходом к использованию Р-кода. С целью преднамеренного снижения точности определения координат до уровня 100 м (2 СРО) для С/А-кода введен специальный режим селективного доступа (Sе1есtive Аvаilability, S/А, СД), который определяется IСD-GPS-203.

Все НКА используют одни и те же частоты, но каждый свои коды, поскольку свойства рассмотренных кодов таковы, что они позволяют надежно разделять сигналы различных НКА между собой, т.е. здесь используется кодовый принцип разделения сигналов.

Р-код представляет собой двоичную псевдослучайную последовательность (ПСП) длиной в 7 суток, передаваемую со скоростью 10,23 Мбит/с (тактовая частота 10,23 МГц). Закрытый Р(Y)-код, длительность которого составляет 267 суток, формируется в соответствии со специальными закрытыми документами (ICD-GPS-203/ 224/ 225).

С/А-код (код Голда) представляет собой ПСП длиной в 1 мс с тактовой частотой 1,023 МГц.

Начиная с НКА Блок-П, аномальные (нестандартные) коды С/А и Р(Y) получили наименование NSC и NSY. Эти коды предназначены для защиты пользователя от отказов оборудования.

Таким образом сигналы GPS занимают в L-диапазоне две полосы шириной по 20,46 МГц, в центре которых находятся частоты L1 и L2. Эти частоты когерентно порождены на НКА одним генератором и на земле частота этого генератора должна иметь величину 10,23 МГц (тактовая частота Р-кода). Учитывая появление релятивистского эффекта, величина частоты задающего генератора на орбите должна быть смещена на-4,5674*Е-3 Гц и равна 10,22999999543 МГц. Номинальные значения частот будут 1575,42 МГц и!227,6 МГц для диапазонов L1 и L2 соответственно.

Фазовые шумы несущей позволяют при односторонней полосе контура фазовой автоподстройки в 10 Гц реализовать точность слежения за фазой порядка 0,1 радиан (СКО).Паразитные сигналы в полосе 20,46 МГц должны быть по крайней мере на 40 дБ ниже уровня немодулированных несущих в обоих диапазонах.В результате фазовой манипуляции значения фаз и состояний кодов составного L1 сигнала будут определяться табл. 3

Таблица 3. Состояние кодов и фазы составного L1 сигнала
Значения фазы, град
Р-код
С/А-код
0 0 0
-70.5 1 -
+109.5 0 1
180 1 1

Минимальные уровни принимаемых сигналов (дБВт) на линейно поляризованную антенну с усилением в 3 дБ при углах места НКА более 5° приведены ниже.

Таблица 4.
Частота Р-код С/А-код
L1 -163.0 -160.0
L2 -166.0 -166.0

Эффективная неопределенность групповой задержки сигнала в НКА (между генератором частоты и фазовым центром передающей антенны) не превышает 3,0 не (2 СКО). Групповая дифференциальная задержка между сигналами L! и L2 кода Р(Y) может иметь смещение, не превышающее 15 нc, и случайную составляющую, уровень которой не превышает 3,0 нc (2 СКО).

Все передаваемые одним НКА сигналы порождены одним стандартом частоты и когерентно связаны между собой. Это относится и к несущей частоте, и к кодам, причем для цифровых сигналов нормы задает Р-код. В информационной последовательности различие в переходах между состояниями не превышает 10 нc (2 СКО).

Навигационное сообщение

В навигационном сообщении информационной последовательности GPS содержится информация об эфемеридах НКА, позволяющих рассчитать их координаты и составляющие скорости, альманах созвездия НКА, частотно-временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры НКА и др. Эта информация используется в аппаратуре потребителя при решении навигационно-временной задачи по определению координат, скорости и временной поправки к местной шкале времени. Информационная последовательность передается кадрами емкостью 1500 бит и длительностью 30 с. Один кадр делится на субкадры длительностью 6 с. Каждый субкадр (или строка) содержит 10 слов по 30 бит каждое. В одном кадре передается 1/25 всего альманаха. Поэтому передача всей информации альманаха занимает 12,5 мин. Этот массив информации объемом 37500 бит называют суперкадром. Используется 11 типов блоков (форматов) данных, содержание которых характеризуется табл. 5.

Таблица 5. Состояние блоков (форматов) данных
Номер блока
Содержание
Номер субкадра в кадре
Номер страницы
1 Временные поправки, поправки для двухчастотной ионосферной коррекции 1 -
2 Эфемериды 2 -
3 Эфемериды 3 -
4 Альманах 5 1-24
5 Признаки работоспособности НКА 5 25
6 Резервное сообщение 4 1,6,11,16 & 21
7 Резервное сообщение 4 12,19,20,22,23 & 24
8 Параметры UТС ионосферной модели 4 18
9 Признаки А/S и работоспособности НКА 4 25
10 Служебное сообщение 4 13
11 Резервное сообщение 4 14, 15 & 17

Информация блоков 1, 2, 3 передается оперативно через 30 с. Информация остальных блоков передается страницами в составе суперкадра на месте, указанном в 4-м столбце табл. 5. Для иллюстрации содержания навигационного сообщения в табл. 4 в качестве примера приведены параметры субкадра 1.

Таблица 6. Параметры субкадра
Параметр
Число бит
Цена младшего разряда
Диапазон
Единицы
Номер недели 10 1 - неделя
Код L2 2 1 - целое
Признак данных с Р-кодом на L2 1 1 - целое
Точность НКА 4 - - *ИЕ
Признак работоспособности НКА 6 1 - целое
Т(GD) 8 2^(-31) - c
IODC 10 - - *ИЕ
t(OC) 16 16 604784 c
a(f2) 8 2^(-55) - c/c*c
a(f1) 16 2^(-43) - c/c
a(f0) 22 2^(-31) - c

*ИЕ - искусственная единица измерения

Назад
Назад
Стартовая страница
Стартовая страница
Вперед
Вперед