Журнал "Компьютерра" №739
Шрифт:
ГНСС предназначены для определения не только местоположения, но и скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и прочих потребителей. NAVSTAR и Глонасс - системы двойного назначения, разрабатывались по заказу и под контролем военных. Поэтому первое и главное назначение у них стратегическое.
Все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных (этот сигнал закодирован, доступ к нему может предоставить только министерство обороны). Навигационные системы являются независимыми (полностью автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник), используют
Навигационные системы GPS NAVSTAR и Глонасс состоят из трех основных компонентов: подсистемы космических аппаратов, подсистемы контроля и управления, а также навигационной аппаратуры потребителей.
Спутники, разбитые на группы, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли (около 20 тысяч километров). Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара и в сотне километров от поверхности[Это ограничение для гражданских потребителей. Военные могут пользоваться GPS и на больших высотах. В США, кстати, действуют ограничения на продажу навигационной аппаратуры, работающей на больших скоростях и высотах.] при используемой геометрии требуется 24 спутника (это справедливо и для GPS, и для Глонасс[Орбитальная группировка Глонасс сейчас неполна и насчитывает лишь шестнадцать спутников, из которых используются тринадцать.]). Орбиты 24 аппаратов образуют "сетку" над поверхностью Земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести.
У полностью развернутой спутниковой системы имеются также резервные устройства, по одному в каждой плоскости (у GPS плоскостей шесть, у Глонасс - три). В случае выхода из строя основного спутника вместо него могут быть оперативно задействованы резервные. Резервные спутники не бездействуют и тоже участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность. Они могут быть использованы и для улучшения покрытия какого-то отдельного региона.
Спутники в ограниченных пределах могут быть перегруппированы по команде с Земли, но в связи с небольшим запасом топлива на борту делается это только в исключительных случаях. Обычно в течение срока службы происходит лишь небольшая коррекция движения. На борту спутника размещено несколько (три-четыре) эталонов времени и час тоты ("атомные часы"), но работает всегда только один эталон.
Подсистема контроля и управления состоит из центра и сети вспомогательных станций (чем шире они разбросаны, тем лучше). В задачи подсистемы входит котроль правильности функционирования спутников, уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При движении спутника в зоне видимости станции та осуществляет наблюдение за аппаратом, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и отправляет их в центр управления. Там происходит дальнейшая обработка информации и вычисляются координатные/корректирующие данные, подлежащие загрузке в бортовой компьютер спутника. При этом используется наземный эталон времени и частоты (более точный) для синхронизации бортовых "атомных часов" спутников.
Орбитальная группировка NAVSTAR управляется с главной контрольной станции, расположенной на авиабазе ВВС США Шривер (штат Колорадо), и с помощью десяти станций слежения. Главная контрольная станция Глонасс (Космические войска России) расположена в Краснознаменске, а семь станций слежения разбросаны от Санкт-Петербурга до Камчатки.
1. Вычислив расстояние от спутника 1 до приемника, представим сферу, где центром будет спутник 1.
2.
Вычислив расстояние от приемника до спутника 2, представим себе вторую сферу. Области пересечения двух сфер описывают место нашего предполагаемого нахождения.3. Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника 3. Одна из двух точек в месте пересечения трех предполагаемых сфер и будет искомым местом (одна из них располагается высоко над поверхностью Земли и в большинстве случаев может быть исключена).
4. Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется четвертый спутник.
Задача определения пользователем своего местоположения является довольно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности прежде необходимо вычислить координаты нескольких спутников. Ведь спутники постоянно движутся, соответственно и координаты их меняются. Для оперативного просчета и уменьшения вычислительной мощности (читай, размеров и стоимости) пользовательской аппаратуры вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления. В нем по результатам наблюдений за спутниками делается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени. Во время сеансов связи эти данные передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке, можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени.
Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются эфемеридами. Набор сведений, описывающий текущее состояние навигационной системы в целом (включая "загрубленные" эфемериды) и применяемый для поиска видимых спутников/выбора оптимального созвездия, именуется альманахом. Спутниковые передатчики постоянно транслируют навигационные сообщения, содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Передача осуществляется на тех же частотах, что и дальномерный код (с невеликой скоростью 50 бит/с). Пользовательская аппаратура, принимая такое навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет координаты спутника.
Зная точное расстояние от спутника до Земли и эталонное время распространения радиосигнала, приемная аппаратура может вычислить расстояние от спутника до пользовательского приемника. Выяснив расстояние до нескольких спутников, можно определить свое местоположение (см. врезку на предыдущей странице). Конечно, на практике все гораздо сложнее: нужно учитывать влияние ионосферы и тропосферы, где сигнал замедляется; естественные и искусственные препятствия для прохождения радиоволн; отражение сигнала от различных поверхностей и т. д.
Располагая даже новейшим приемником для гражданского применения, максимальная точность, на которую можно рассчитывать, используя группировку NAVSTAR, составляет 2–5 метров. Для сравнения, геодезическое оборудование обеспечивает точность до одного метра, а военное - до нескольких сантиметров (!). Дело в том, что для разных потребителей передается разный сигнал и применяется совершенно разная аппаратура (например, в геодезических приемниках ради точности приносятся в жертву цена, габариты, масса и энергопотребление).
Значительно повысить аккуратность определения координат позволяют дифференциальные поправки, делающиеся на основе данных наземных станций и/или дополнительных спутников. Наиболее развитой вспомогательной широкозонной местной системой позиционирования (их принято именовать аббревиатурой SBAS) считается американская WAAS, созданная по инициативе Управления гражданской авиацией США. Она включает четыре десятка наземных станций, разбросанных по всей территории Северной Америки, и два спутника. Своими широкозонными, накрывающими целый регион, системами располагают также Евросоюз (EGNOS может работать и с NAVSTAR, и с Galileo), Япония (MSAS), Индия и Китай; кроме того, несколько подобных служб (StarFire и OmniSTAR) находятся в частном ведении. В России такой системы, к сожалению, пока нет.