Общие принципы построения глобальной спутниковой системы определения местоположения

К настоящему времени накоплен зарубежный и отечественный опыт работы с современной аппаратурой спутниковой системы определения местоположения, которую в зарубежной литературе принято называть глобальной спутниковой системой позиционирования^[1].

Этот опыт доказывает, что успешная реализация преимуществ методов СНС во многом зависит от того, насколько успешно студентами освоен весь комплекс вопросов, связанных с общими принципами их построения.

Как показал опыт эксплуатации СНС, каждая система определения местоположения имеет свои специфические особенности. Так, система ГЛОНАСС имеет более высокие орбиты относительно плоскости экватора, которые составляют 64,8°. Это позволяет иметь более точные навигационные определения в высоких широтах, т.е. при работе в экваториальных регионах наша система грубее, у американской же системы более грубые измерения над Арктикой и Антарктидой (табл. 6.2).

Космические аппараты ГЛОНАСС равномерно размещаются в трех орбитальных плоскостях, отстоящих друг от друга на 120°, в каждой не менее восьми спутников (в американской в шести плоскостях имеется не менее четырех спутников на каждой орбите).

Такое орбитальное построение позволяет создать сплошное навигационное поле над поверхностью Земли до высот порядка 2000 км. В пределах таких высот пользователь в любой момент может принимать навигационные сигналы каждой системы не менее чем от четырех спутников.

Период обращения спутника вокруг Земли равен примерно 11 – 12 ч, следовательно, спутники делают два оборота вокруг Земли за сутки. Такой период обращения обеспечивает прохождение каждого спутника над областью, контролируемой наземными комплексами управления, по крайней мере раз в сутки.

Комплексы осуществляют постоянный контроль орбит спутников. Любое замеченное отклонение спутника от теоретической (предвычисленной) орбиты спутника передается на борт КА, что позволяет оперативно уточнять орбиту.

Кроме наземных комплексов управления (сектора управления и контроля), как уже отмечалось, архитектура СНС

Таблица 6.2

Основные характеристики спутниковых систем ГЛОНАСС (Россия) и НАВСТАР (США)

Наименование параметра	ГЛОНАСС	НАВСТАР
Начало создания группировки КА	1982	1978
Полный состав созвездия, количество спутников (резерв)	24 (3)	24 (3)
Расположение созвездия спутников	8X3	4X6
Масса, кг	1300	860
Габариты (с вынесенными солнечными панелями), м	7,230	5,2
Период обращения спутников, ч	11 ч 16 мин	11 ч 58 мин
Наклон плоскостей орбит к экватору, градусы	64,8	55
Скорость перемещения спутников вдоль орбиты, км/с	3,9	3,9
Средняя высота спутников над Землей, км	19 150	20 200
Геоцентрическая координатная система	ПЗ-90	WGS-84
Ресурс на орбите, лет	ГЛОНАСС-3 ГЛОНАСС-М-7 ГЛОНАСС-К-Ю	7,5

включает космическую составляющую и аппаратуру потребителей (спутниковые приемники различного класса и направления).

Космический сектор включает в себя набор входящих с СНС спутников. Такой набор часто называют орбитальной группировкой, или "созвездием". Установленная на спутниках аппаратура, которая осуществляет передачу на Землю как радиосигналов, на основе которых измеряется расстояние между спутником и потребителем, так и навигационного сообщения, в котором содержится информация об эфемеридах (координатах) спутников, о поправках к показаниям его часов, о так называемом альманахе, несущем в себе усеченную информацию о всех входящих в "созвездие" спутниках, а также некоторую другую служебную информацию.

Конструктивно спутник состоит из основного корпуса и двух достаточно больших по размерам панелей с солнечными источниками питания площадью порядка семи квадратных метров. Кроме радиотехнической аппаратуры, имеется реактивный двигатель, топливо к нему, чтобы имелась возможность корректировать орбитальное положение спутника.

Наиболее ответственным узлом на спутнике является высокостабильный опорный генератор.

На базе использования этого генератора формируются не только все передаваемые со спутника сигналы, но и работают высокочастотные электронные часы, показания которых используются как в процессе выполнения спутниковых измерений, так и для передачи сигналов точного времени.

Каждый спутник СНС НАВСТАР передает сигналы на двух несущих частотах, получивших условные обозначения L1 и L2:

• L1 = 1575,42 МГц (длина волны 19 см);

• L2 = 1227,60 МГц (длина волны 24 см).

Спутниковые сигналы названных несущих частот L-диапазона модулированы двумя кодами^[2]: точным P-кодом с частотой 10,23 МГц (длина волны 30 м) и грубым С/А-кодом с частотой 1,023 МГц (длина волны 300 м), а также навигационным сообщением.

Точный P-код предназначается для ограниченного круга пользователей и дает точность дальномерных измерений около 1 м, а грубый С/А-код, ранее предназначавшийся в основном для гражданского использования, обеспечивает определение дальностей с точностью 10 м и более.

Особенности построения функционирования космического сектора неразрывно связаны с общими требованиями, которые предъявляются ко всей СНС. Вот основные из них:

• накопленный опыт эксплуатации более ранних СНС показал, что высота орбиты относительно земной поверхности, равная примерно 20 000 км, является наиболее оптимальной. Как уже отмечалось ранее, характерный для такой высоты 12-часовой период обращения спутников вокруг земного шара создает определенные удобства как при обслуживании спутников, так и при их использовании потребителями;

• как отмечалось ранее (см. табл. 6.2), для обеспечения возможности одновременных наблюдений не менее четырех спутников в любой точке земного шара необходимо, чтобы общее количество входящих в "созвездие" спутников составляло около 24. Однако, как показал опыт эксплуатации СНС, для надежного решения задач силовых структур этого комплекса недостаточно.

Это обусловлено тем, что в период эксплуатации спутниковых систем наземные комплексы управления вынуждены периодически выводить часть КА из состава орбитальной группировки (ОГ) на плановое и внеплановое обслуживание. К сожалению, количество выводимых КА из состава ОГ ГЛОНАСС велико. Например, случайная выборка: 7 октября 2006 г. из состава ОГ, состоящей из 16 КА, функционировало только 10 КА, а 16 декабря – 11 КА. В период 1994–1995 гг., по официальным данным, ОГ ГЛОНАСС составляла 24 КА. Фактически ни одного дня ОГ не функционировала в полном составе. Поэтому необходимо на каждой их трех орбит иметь 1–2 запасных КА^[3]. Следовательно, для надежного решения задач навигационного обеспечения необходимо иметь ОГ ГЛОНАСС в количестве 29–30 аппаратов. Это позволит обеспечить функционирование на орбитах 24 КА.

Следует отметить, что ОГ НАВСТАР составляет 29–30 КА, такой же состав ОГ планируется на европейской СНС Галилео и китайской Бэйдоу.

Одна из характерных для СНС особенностей состоит в том, что точность координатных определений зависит не только от точности определений расстояний между спутником и потребителем, но и от расположения наблюдаемых спутников на небосводе, так называемый геометрический фактор. Для минимизации влияния этого фактора на точность выполняемых измерений количество орбит спутников и места расположения на них спутников должны обеспечивать по возможности равномерное их распределение в поле обозреваемого небосвода.

Все эти соображения учитывались как в процессе проектирования космического сектора, так и при вводе его в эксплуатацию.