Несущие колебания спутника манипулированы по фазе кодовыми сигналами. Вернемся к рассмотрению кодов, начатому в разделе 3.1.

По статистическим характеристикам коды являются случайными, следовательно образуют широкополосный сигнал. Длина когерентности такого сигнала мала, поэтому при корреляционной обработке получают узкий и единственный главный максимум функции корреляции. В свою очередь, это позволяет однозначно и с высокой точностью измерять временную задержку в кодовом режиме. Приемно-регистрирующая аппаратура, не “знающая” закономерности формирования кода, воспримет сигнал спутника как шумовой, случайный. На самом деле коды формируют закономерно, хотя вид закона сложен. По причине сказанного сигнал спутника называют псевдошумовым, а коды - псевдослучайными.

Существуют два вида измерительных кодов. Легко доступный, легко обнаруживаемый, широковещательный код - С/А-code - Coarse Acquisition code. Точный P-code - Precision code. Спутник имеет индивидуальный С/А-код, повторяющийся каждую миллисекунду. Приемник идентифицирует и захватывает сигнал спутника на частоте L1 легко, поскольку эта частоте модулирована С/А-кодом. Гораздо сложнее дело обстоит с захватом сигнала спутника на частоте L2 , то есть на второй несущей частоте. С/А-код на нее не подают, так что захват сигнала и последующие наблюдения возможны только в Р-коде. Это затрудняет работу пользователя и это затруднение намеренно заложено в структуру системы.

Спутнику в данную эпоху присущ Р-код, повторяющийся через неделю. В то же время, системе присущ весь Р-код в целом. Длительность Р-кода системы равна 266,4 суток. Другими словами, весь длинный Р-код системы разделен на недельные отрезки, интервалы. Каждый отрезок в данную эпоху приписан конкретному спутнику. Изначально доступ к Р-коду имели только авторизованные пользователи, в основном, американские военные. Сейчас аппаратура практически всех пользователей имеет доступ к Р-коду. Этот доступ осложнен тем, что Р-кодовый сигнал подвергнут дополнительному кодированию (шифрованию) так называемым Y-кодом. Как сказано в литературе, сделано это для того, чтобы предотвратить возможность нарушения работы системы путем внешнего вмешательства. Такой режим работы назван Anti-Spoofing (AS) - режим противодействия несанкционированному воздействию. Он сводится именно к использованию Y-кода. В свою очередь, Y-кодирование - это обмен недельными отрезками Р-кода между спутниками в последовательности, известной лишь персоналу, управляющему системой. Если эта последовательность неизвестна пользователю, то есть его приемник не содержит соответствующего чипа, то отсутствует возможность захватить сигнал в Р-коде на второй несущей частоте и дорогой и высокоточный двухчастотный приемник может работать только как одночастотный. Производители аппаратуры, однако, тем или иным путем преодолели эти трудности, например, заплатив за возможность установки в приемники соответствующих чипов. Поэтому представляется, что необходимость в Y-кодировании отпала.

Наблюдения в С/А-коде называют Standard Positioning Servise (SPS) - стандартной службой позиционирования. Навигационные координаты в этом режиме определяют с ошибкой 100-200 метров. Наблюдения в Р-коде называют Precise Positioning Servise (PPS) - служба определения точного местоположения. Навигационные координаты в этом режиме определяют с ошибкой порядка 10-20 метров.

В 1973 году данные программы объединили в одну, и военно-воздушные силы США назначили руководящими в разработке системы. Это стало началом истории построения системы NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) - глобальной системы местоопределения (Global Positioning System). С 1983 года, после того, как к ее информации получили доступ гражданские лица, а в 1991 году были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР, распространение получила широко известная аббревиатура GPS.

Изначально планировалось, что система будет служить для высокоточного наведения боевых ракет, а навигационные функции системы были отодвинуты на второй план.

Первый спутник системы был запущен в 1978 году, а основная часть спутников системы были запущены на орбиты в середине 80-х годов. В 1994-м на орбиту был помещен спутник, позволивший завершить построение системы из 24 спутников.

Период нахождения спутника на орбите примерно равен 10 годам. Отработавшие свой срок спутники планомерно выводят из системы и утилизируют.

В России действует аналогичная система спутниковой навигации ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), принцип работы которой во многом подобен GPS, точность определения координат которой, однако, заметно меньше.

Спутниковые радионавигационные системы - это всепогодные системы космического базирования. Они позволяют определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а также осуществлять точную координацию времени.

В состав системы входят:

• созвездие ИСЗ (космический сегмент);
• сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
• GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Космический сегмент (орбитальная группировка) системы GPS на данный момент содержит 24 спутника. У каждого спутника имеется порядковый номер (PRN), всего номеров зарезервировано 32. По состоянию на 27 декабря 2005 года, на орбите находилось 29 рабочих спутников, 5 из которых либо уже отработали свой срок, либо готовились к вводу в систему для замены отработавших. Период обращения одного спутника составляет 11 часов 56,9 минут. Вес каждого спутника около 835 кг, линейный размер более 5 м (с развернутыми солнечными батареями). На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10 9 (0,000000001) с, вычислительно-кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт. Спутники размещены на 6 орбитальных плоскостях. Высота орбит примерно равна 20 200 км, угол наклона орбит составляет 55 градусов (рис. 1).

Передающая аппаратура излучает синусоидальные сигналы на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц. Перед этим сигналы модулируются псевдослучайными цифровыми последовательностями (эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), 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, поправки системного времени. Частота L1 предназначена для широкого круга гражданских потребителей, а доступ к сигналам частоты L2 в основном получают военные и федеральные службы США. Точность автономного определения расстояния по P-коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.

Данные параметры расположения группировки космических аппаратов выбраны не случайно. В любой момент времени в любой точке земного шара можно получить сигналы как минимум от 3-х спутников, что является необходимым условием определения координат. Для более точного определения местоположения необходим сигнал от четвертого спутника.

Наземный сегмент системы представляют контролирующе-измерительные станции для мониторинга спутников. Они расположены на Кваджалейне, на острове Вознесения, на Гавайях, Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс. Также в системе работают три наземные антенны (остров Вознесения, Диего-Гарсия и Кваджалейн). Управление осуществляется на центральной станции, расположенной на авиабазе в Шривере, Колорадо (Schriever Air Force Base, Colorado).

Приемные устройства - GPS-навигаторы - работают в комплексе со спутниками. GPS-навигатор получает со спутников следующую информацию: «псевдослучайный код» (PRN - pseudo-random code), «эфемериды» (ephimeris) и «альманах» (almanach). По наличию этих данных в GPS-навигаторах определяют вид старта или, по-другому, инициализации (под стартом подразумевается начало процесса получения данных хотя бы с 3 спутников, что достаточно для 2D-навигации). Каждый спутник передает только собственную эфемериду, в то время как альманах передается каждым спутником обо всех спутниках сразу. Стартовать приемник может в разных режимах. «Холодный старт» происходит в том случае, когда информация об альманахе и эфемеридах сильно устарела. Данные могут утеряться в случае переноса GPS-приемника на большое расстояние, или же если часы приемника сбились. Как правило, «холодный старт» занимает от нескольких до 45 минут. «Теплый старт» - альманах сохранился, но эфемериды уже потеряны и часы приемника еще «знают» точное время. Такой старт занимает меньше времени, от 30 секунд до 10–15 минут, в зависимости от условий приема. В этом случае GPS-приемнику необходимо получить данные только эфемерид. И, наконец, самый быстрый старт - «горячий». Занимает от нескольких секунд до 5 минут. «Горячий старт» может быть осуществлен, когда в навигаторе имеется и альманах, и эфемериды.

Таким образом, большей частью время между включением и началом выдачи координат зависит от того, как давно было выключено устройство, а также от чувствительности прибора; модель приемника влияет на скорость захвата спутников в меньшей степени.

Функционирование аппаратуры потребителя можно понять из обобщенной схемы (рис. 2).

Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/с. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мс. Кадр состоит из пяти под-кадров, причем четвертый и пятый подкадры разделены на 25 страниц каждый. Подкадры с первого по третий, а также каждая страница четвертого и пятого подкадров содержат по 300 символов, которые разделены на 10 слов по 30 символов в слове.

В таблице 1 показана информация, передаваемая с навигационного спутника.

Таблица 1.

Таблица 2.

Нулевой отсчет времени GPS определен в полночь с 5 на 6 января 1980 года. Неделя является самой большой единицей измерения времени в системе GPS. Неделя определена как 604 800 с.

Эфемериды представляют собой уточненные параметры движения спутников. Основываясь на данных альманаха, GPS-приемник «сканирует» небо и при получении данных от спутника уточняет его эфемериды.

Рис. 3.

Чтобы понять, как GPS-навигатор определяет координаты, необходимо иметь представление о системе координат, в которой происходит движение спутников и определение координат конечных потребителей.

Наблюдатель на Земле может представить небесную сферу, спроецированную на плоскость так, чтобы центр совпадал с местоположением наблюдателя.

Именно в этой проекции пользователю GPS-навигатором показывается примерное расположение спутников (рис. 3).

Как видно из рисунка (снимок с экрана GPS-навигатора), спутников в пределах видимости находится девять (снимок производился при включенном режиме симуляции, то есть когда навигатор не ловит сигналы со спутников, а моделирует возможные ситуации). В реальности спутников на проекции сферы видно не более восьми, а сигналы принимаются максимум с четырех-шести. Закрашенный столбик над номером спутника показывает на устойчивый прием сигналов, а высота столбца позволяет оценить качество приема. В момент, когда GPS-навигатор начинает получать информацию со спутника, над его номером появляется незакрашенный прямоугольник. Закрашивается он при уточнении параметров орбиты спутника и начале получения данных, на основе которых идет непосредственный расчет координат пользователя.

Данные спутниковых систем и параметры орбит спутников рассчитываются относительно центра масс Земли. В бытовых GPS-навигаторах используется единая система координат, наиболее популярная в системах гражданской авиации, WGS-84.

Глобальная система координат WGS–84 определена следующим образом.

Начало координат 0 расположено в центре массы Земли;

• ось 0Х - пересечение плоскости исходного меридиана WGS–84 и плоскости экватора;
• ось 0Z - направлена на Северный полюс Земли;
• ось 0У - дополняет систему до правой системы координат.

Исходный меридиан WGS–84 совпадает с нулевым меридианом, определенным Международным бюро времени (BIN).

При наличии сигнала от одного спутника (№1), известной скорости распространения электромагнитного сигнала в пространстве (300 000 км/с) и времени, за которое сигнал дошел от спутника до GPS-приемника, стало возможным рассчитать геометрическое место точек нахождения приемника сигнала (им будет являться сфера с радиусом, равным расстоянию от спутника до приемника, в центре которой находится спутник).

Если GPS-навигатор начал принимать сигналы от второго спутника, то аналогично первому случаю, строится сфера вокруг спутника №2. Так как GPS-приемник должен находиться на обеих сферах сразу, то теперь строим пересечение двух сфер. Каждая точка получившейся окружности может являться местом нахождения приемника в пространстве.

Наконец, когда приемник поймает сигнал от спутника №3, строится еще одна сфера, при пересечении с окружностью она дает нам две точки. Одна из этих точек, как правило, имеет довольно неправдоподобное расположение, и в процессе вычисления по алгоритму она отбрасывается. Таким образом, мы получаем результат: широту и долготу.

Но если учитывать огромную скорость распространения электромагнитной волны, ошибка в расчетах на тысячные доли секунды может привести к довольно серьезным погрешностям в вычислении расстояния до спутника, а затем и в построении сфер и определении координат. Таким образом, мы подобрались к одному важному нюансу - для корректного определения координат необходим четвертый спутник.

После построения трех сфер приемник начинает манипулировать с временной задержкой. При каждом новом сдвиге времени приемника строятся новые сферы, точка пересечения их «расплывается» в треугольник. То есть сферы перестают пересекаться, а местоположение GPS-приемника может с определенной вероятностью быть в любой из точек треугольной области. Затем временные сдвиги продолжаются до тех пор, пока все три сферы снова не пересекутся в одной точке. Получаем довольно точные координаты. И чем больше спутников «видит» навигатор, тем точнее мы можем скорректировать время с вытекающим из этого увеличением точности позиционирования. При наличии четвертого спутника начинает работать так называемая 3D-навигация, и мы имеем возможность определить высоту над уровнем моря, скорость передвижения по поверхности и скорость вертикального перемещения.

Немного о точности. При создании системы в нее специально внесли так называемый режим S/A (Selective Availability - ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Принцип действия данного режима заключается в искусственном рассогласовании часов спутника и приемника. Поэтому даже при хорошем приеме сигналов нескольких спутников точность не превышала 100 метров. Однако в 2000 году данный режим был отменен, и официально система GPS стала давать возможность определять координаты более точно. Как правило, указывают точность в 20…30 метров. Если использовать специальные алгоритмы пост-обработки, точность можно повысить вплоть до нескольких миллиметров, но это умеют делать геодезические системы. Для работы с такими системами нужен сертификат и разрешение, а их стоимость превышает стоимость бытовых навигаторов в десятки раз.

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

1. Неточное определение времени. Вносит погрешность порядка 1 метра.
2. Погрешности вычисления орбит спутников (уточнения эфемерид). Вносят погрешность порядка 1 метра.
3. Ионосферные задержки сигнала. Вносят погрешность до 10 метров.
4. Многолучевое отражение от высоких зданий, других объектов. Вносит погрешность до 2 метров.
5. Геометрическое расположение спутников.
6. Тропосферные задержки сигнала.

Литература

1. Лекции доктора технических наук Валерия Викторовича Конина. http://www.kvantn.com.ua/resourse/All/lections/lect_cont.html /ссылка утрачена/
2. Информация с сайта http://www.datalogger.ru/gps/ /ссылка утрачена/
3. Информация с сайта http://www.ixbt.com/mobile/gps.html
4. Информация на форуме сайта http://www.gpsinfo.ru/ /ссылка утрачена/
5. Информация с сайта

Точность определения местоположения в навигационной системе ограничена из-за влияния различных факторов. Их можно разделить на две группы. Ошибки в расчётах местоположения спутников и влияние атмосферы (тропосферы и ионосферы) на скорость радиосигнала.

Как уже говорилось, навигационные спутники играют роль радиомаяков, передавая сигналы точного времени и свои координаты. Стоит отметить, что спутники ничего не знают о своём местоположении. Их координаты определяет сектор управления и в результате рассчитывает орбитальные характеристики – эфемериды. Эти эфемериды (набор численных коэффициентов) загружаются на спутник, который передаёт их вместе с остальной навигационной информацией. Приёмник GPS принимает сигнал со спутника и рассчитывает его координаты, используя полученный набор орбитальных коэффициентов. Эти коэффициенты (эфемериды) ведущая станция уточняет несколько раз за день по мере необходимости. Но тем не менее, расчётные координаты получаются неточными. Местоположение спутника определяется с ошибкой. Почему?

Если бы Земля имела форму шара с равномерной по глубине плотностью и других воздействий на спутник не было, то он двигался бы строго по одному и тому же эллипсу в соответствии с Первым законом Кеплера. Но форма Земли отличается от шара, кроме того, на спутник действуют Солнце и Луна, а также негравитационные факторы. Поэтому параметры эллипса непрерывно изменяются. Это приводит к ошибкам в расчётах. Вот таблица различных воздействий на спутник в порядке их убывания (А.Л. Генике, Г.Г. Побединский «Глобальные спутниковые системы …», 2004):

Таблица 1 . Влияние различных возмущений на движение навигационного спутника

Первое по списку – центральное поле Земли. Благодаря ему спутник и движется по эллипсу с ускорением 0,565 м/с 2 . Такое ускорение свободного падения на высоте 20,2 тыс. км. Гравитация – это всегда притяжение, поэтому первой (дипольной) поправки у гравитационного поля нет. Идёт сразу вторая зональная гармоника. Она вносит возмущение в 10 тысяч раз меньше: 5,3×10 – 5 м/с 2 . В результате за 1 час спутник может отклонится на 300 метров от расчётной траектории. А за 3 часа – уже на 2 км, так как ошибка возрастает нелинейно.

Гравитационное влияние Луны на порядок меньше, Солнца – ещё в 2 раза меньше. Из негравитационных воздействий на первом месте стоит солнечная радиация (солнечный ветер). Гравитационные аномалии вызваны неравномерным распределением масс внутри Земли (см. фото вверху). Они за час отклоняют спутник на 6 см. Лунные и солнечные приливы также вносят свой вклад в перераспределения масс на поверхности Земли. Несмотря на свою относительную малость, они за два дня могут отклонить спутник от расчётной орбиты на 2 метра.

Управляющий сектор ориентируется на эти данные, но не использует их в своих расчётах. Все эфемериды рассчитываются исключительно исходя из наблюдений. При расчёте орбитального движения принято считать, что спутник движется строго по эллипсу, словно бы и нет никаких возмущений. Эта орбита называется оскулирующей. Через малый промежуток времени параметры орбиты изменяются, и спутник движется по другому эллипсу. И так далее. Таким образом весь эффект от возмущений сводится исключительно к непрерывному изменению параметров оскулирующего эллипса.

Благодаря многочисленным наблюдениям за движением спутников, ведущая станция подбирает математическую модель, которая способна рассчитать это движение с наименьшими ошибками. Численные коэффициенты модели (эфемериды) регулярно обновляются и загружаются на спутники три раза в день. Кроме этого, эфемериды уточняются каждый час.

Важно отметить, что навигационная система постоянно развивается. Координаты опорных станций уточняются. Используя опорные станциями с более точными координатами, можно более точно определить эфемериды спутника и так далее.

Тем не менее, современные ошибки в определении эфемерид спутников приводят к ошибкам в расчёте их координат на уровне 10-20 метров. На первый взгляд, это кажется много. Это так, если определять координаты местоположения абсолютным (прямым) способом. Но в навигационной системе используется дифференциальный (относительный) способ определения местоположения (см. здесь). Благодаря этому способу удаётся повысить точность определения координат в сто раз и более.

Такая точность уже достаточна даже для проведения большинства геодезических работ. Но, скажем, для изучения движения земной коры, требуется ещё более высокая точность. В этих случаях используются не эфемериды, передаваемые по радиоканалу спутника, а их существенно уточнённые значения, полученные в результате последующих наблюдений. Длительные наблюдения за орбитами спутников позволяют уточнить значения эфемерид в прошлом. Эти уточнённые значения накапливаются в специальном банке, действующем в США при национальной геодезической службе (NGS).