Материал: Шумаков Ф.Т. Супутникова геодезія.-Харків ХНАМГ, 2009.- 88 с

4. СТРУКТУРА СРНС

План лекції № 5

1.Підсистема космічних апаратів.

2.Підсистема наземного контролю і управління.

3.Підсистема апаратури користувачів.

Проектування сучасних СРНС виконувалося з урахуванням наступних вимог:

-доступність (готовність) системи, мірою якої є ймовірність працездатності системи для виконання того чи іншого завдання;

-цілісність системи, мірою якої є ймовірність відмови системи за певний період часу;

-безперервність обслуговування, мірою якої є ймовірність працездатності системи протягом виконання того чи іншого завдання.

Для виконання цих вимог у складі сучасних СРНС GPS і ГЛОНАСС функціонують три основні підсистеми (сегменти):

-космічних апаратів (ПКА),

-наземного контролю і керування (ПНКУ),

-апаратури користувачів (ПАП).

За допомогою цих сегментів виконується визначення просторових координат місця розташування і часу користувача. Обчислення навігаційних параметрів виконується безпосередньо в приймачі користувача на основі беззапитних (пасивних) далекомірних вимірювань за сигналами декількох навігаційних ШСЗ з відомими координатами.

СРНС GPS і ГЛОНАСС за своєю структурою, принципами роботи та характеристиками аналогічні один одному і можуть використовуватися спільно.

4.1. ПІДСИСТЕМА КОСМІЧНИХ АПАРАТІВ

ПКА складається з певного числа («сузір'я») навігаційних супутників. Основна функція ПКА - формування і випромінювання радіосигналів, необхідних для визначення місця розташування користувачів. Для цього на кожному супутнику встановлено наступне обладнання: апаратура для прийому та

31

передачі радіосигналів, бортовий комп'ютер, бортовий високоточний атомний еталон частоти і часу, сонячні батареї живлення, двигуни коректування орбіт. Бортові еталони часу і частоти забезпечують практично синхронне випромінювання навігаційних сигналів усіма супутниками, що є обов'язковою умовою для реалізації беззапитних вимірювань в приймальниках користувачів.

Вибір складу та конфігурації орбітального угрупування навігаційних супутників забезпечує задану робочу зону (одночасне спостереження в будьякій точці Землі), можливість реалізації різних методів вимірювань, безперервність і точність координатних визначень.

ПКА GPS складається з 24-х супутників (з них 3 резервних), розташованих по чотири в шести орбітальних площинах, розгорнутих через 60°. Нахил площин до екватора дорівнює 55°. Орбіти практично кругові. Середня висота супутників 20145 км, період обертання приблизно 11 год 57 хв, швидкість переміщення вздовж орбіти близько 3,9 км/с. Середній термін служби супутників - 10 років.

Для передачі навігаційних сигналів (далекомірних кодів, міток часу, даних про координати супутника, ідентифікаційних ознак та ін) на кожному супутник є генератор основних коливань з опорною частотою 1,023 МГц (C/A- код) і 10,23 МГц (P-,Y-код). Ці коливання випромінюють на несучих частотах

¦1 = 1575,42 Мгц (L1) з довжиною хвилі 19,0 см і ¦2 = 1227,60 МГц (L2) з

довжиною хвилі 24,4 см. Частота L1 модулювати двома далекомірними кодами:

точним (Precision) P-кодом і легкодоступним (Clear Acquisition) C/A-кодом.

Частота L2 модулювати одним P-кодом. P-код, на відміну від C/А -код, призначений для санкціонованих (в основному, військових) користувачів GPS.

Усі супутники GPS використовують ті самі частоти, але кожний супутник має свій код. У будь-який час, без попереднього повідомлення, може бути введений так званий режим виборчого (селективного) доступу SA (Selective Availability), при якому навмисно з метою зниження точності вимірювань спотворюють далекомірний код і ефемериди супутників. З цією ж метою передбачено режим додаткового шифрування AS (Anti-Spoofing), коли P-код переводиться в новий, Y-код.

Супутники по своїй модифікації і функціональними можливостями

32

об'єднані в групи - блоки I, II і II R. В даний час на орбіті функціонують супутники блоків II і II R. Проектується запуск супутників нового покоління - блок II F - зі збільшеним терміном служби, в яких планується ввести другу «громадянську» частоту L5.

ПКА ГЛОНАСС складається з 24-х супутників (з них 3 резервних), розташованих по вісім супутників в трьох орбітальних площинах, розгорнутих через 120°. Нахил площин орбіт до екватора дорівнює 64,8°. Середня висота супутників 19100 км, період обертання приблизно 11 год 16 хв. Оснащення супутників таке ж, як і в GPS. Крім того, супутники ГЛОНАСС додатково обладнані відбивачами, а наземні станції спостереження - лазерними далекомірами.

У ГЛОНАСС використовується основна частота 0,511 МГц. Частоти L1 і L2 мають індивідуальні значення для кожного супутника (у діапазоні 1602,56 ...

1615,5 - для L1, 1246,44 ... 1256,5 - для L2). Вони знаходяться в точному співвідношенні 9/7, довжини хвиль близькі до 18,7 і 24,1 см. У ГЛОНАСС всі супутники мають однакові коди: високої (ВТ) і стандартної (СТ) точності, без штучного зниження точності.

4.2. ПІДСИСТЕМА НАЗЕМНОГО КОНТРОЛЮ ТА УПРАВЛІННЯ

ПНКУ складається з станцій спостереження за супутниками, служби точного часу, головної станції (Колорадо-Спрінгс, США) з обчислювальним центром і декількох станцій завантаження інформації на супутники, що працюють в автоматичному режимі. Основним завданням ПНКУ є моніторинг цілісності СРНС: спостереження і контроль за траєкторіями супутників, збір необхідної інформації для визначення та прогнозування координат супутників (ефемерід), контроль за роботою апаратури супутників, управління режимами її роботи і параметрами супутникових сигналів, формування часу системи та його синхронізація щодо Всесвітнього часу, завантаження даних в пам'ять кожного супутника.

Навігаційні супутники періодично пролітають над станціями стеження, що дозволяє визначати і прогнозувати їх ефемериди, формувати необхідну службову інформацію і завантажувати її в бортовий комп'ютер.

33

Синхронізація різних процесів у СРНС забезпечується за допомогою високостабільного (атомного) еталона часу і частоти, який використовується в процесі юстування бортових еталонів навігаційних супутників.

4.3. ПІДСИСТЕМА АПАРАТУРИ КОРИСТУВАЧІВ

Користувачі СРНС діляться на дві категорії: військові та цивільні. У складі GPS діють Служба точного позиціювання PPS (Precise Positioning Service) і Служба стандартного позиціювання SPS (Standard Positioning Service). PPS базується на використанні P-коду та двох несучих частот, SPS - на використанні C/A-коду та однієї несучої частоти.

Дозволена точність абсолютного визначення місця розташування для цивільних користувачів GPS - приблизно 100 м (при включеному режимі SA), а для військових - приблизно 30 см, що досягається за рахунок використання P-коду. Цивільні користувачі поділяються на дві основні групи по області застосування СРНС - навігаційне використання і геодезичне використання. ПАК складається з апаратно-програмних засобів, призначених для прийому та обробки супутникових радіосигналів з метою визначення просторових координат та іншої необхідної користувачам інформації (часу, напряму і швидкості, просторової орієнтації та ін.).

Просторові координати в приймачі користувача звичайно визначаються в два етапи: спочатку визначаються поточні координати супутників і первинні навігаційні параметри (дальність, її похідні та ін) щодо відповідних супутників, а потім розраховуються вторинні - геодезичні координати місця розташування

користувача.

Стандартний комплект ПАК для геодезичного застосування складається із двох (або більш) приймачів супутникових сигналів з комплектом додаткового встаткування і програмного забезпечення для обробки супутникових вимірів.

GPS-приймачі залежно від типу виконуваних вимірів і доступності коду діляться на три групи:

- Кодові –, що вимірюють псевдодальности на основі C/A-коду;

34

-Фазові –, що вимірюють фазу прийнятого сигналу з використанням

C/A-коду;

-P-кодові –, що вимірюють фазу прийнятого сигналу з використанням P-коду. Використання P-коду досягається за рахунок установки спеціальної плати на вході приймача.

Залежно від кількості використовуваних частот приймачі бувають одночастотні та двочастотні.

По способах спостереження за супутниками приймачі класифікуються на одне- і багатоканальні. Захват і відстеження супутників у багатоканальних приймачах виконується незалежними прийомними каналами. У цей час найпоширенішийо 9, 12-ти канальні приймачі, у яких прийомний канал може працювати з будь-яким супутником ( так званий метод All in View). Є також 24-

хканальні приймачі, у яких кожному супутнику зіставлений певний канал. Апаратура користувачів ГЛОНАСС аналогічна апаратурі користувачів

GPS.

Усвіті є більш 50 фірм-виробників супутникових приймачів. Найбільш відомі серед них – Trimble ( США), Ashtech (США), Leica (Швейцарія), Zeiss (Німеччина), Geotronics (Швеція). Але виробництвом системних плат для приймачів займаються тільки перші дві.

Уцей час велика увага приділяється питанням спільного використання обох СРНС. Основною перевагою спільного використання є значне збільшення кількості спостережуваних супутників, що дозволить виконувати виміру в зонах обмеженої видимості супутників, підвищити точність вимірів, їх надійність і вірогідність, а також скоротити тривалість сеансів вимірів. Такі приймачі, що працюють одночасно у двох системах, уже пропонуються споживачам декількома фірмами. Наприклад, фірма Ashtech пропонує 24канальний приймач GG-24, по 12 каналів на GPS і ГЛОНАСС. Фірма Spectra Precision – одночастотний приймач Geotracer GPS+GLONASS на базі системної плати Ashtech.

35