Путеводная звезда, которая светит всегда

Издревле люди использовали для навигации (т. е. точного определения курса на основе сведений о местоположении объекта) днем солнце, а ночью - звезды. Но иногда небо покрывается тучами, и тогда определить свое местоположение почти невозможно. Сегодня, когда в небе "зажглись" искусственные "звезды" систем спутниковой навигации, путнику уже не грозит опасность сбиться с пути.

Первые системы спутниковой навигации создавались исключительно для военных нужд, однако в настоящее время они широко применяются в гражданских целях. С их помощью осуществляется контроль за транспортными и грузовыми перевозками (автомобильными, железнодорожными, морскими), отслеживается местонахождение потерянных или угнанных транспортных средств, ведется поиск людей в чрезвычайных ситуациях, проводятся исследования миграции животных.

Существуют два основных способа определения местоположения. Первый предполагает наличие у абонента стандартной навигационной аппаратуры, которая позволяет с заданной точностью определять координаты. Второй метод основан на определении координат по доплеровскому сдвигу частоты и не требует использования специальной навигационной аппаратуры.

Системы GPS и "Глонасс"

Глобальная навигационная система GPS (Global Positioning System), известная также как Navstar (Navigaion System with Time and Ranging - Навигационная система определения времени и дальности), предназначена для передачи навигационных сигналов, которые могут одновременно приниматься во всех регионах мира. Система была разработана по заказу Министерства обороны США, а космические аппараты (КА) изготовила компания Rockwell International.

Первая штатная орбитальная группировка системы разворачивалась с июня 1989 г. по март 1994 г.: на орбиту были выведены 24 КА Block II. Окончательный ввод GPS в эксплуатацию состоялся в 1995 г. Эксплуатация и обслуживание осуществляются Министерством обороны США. Система используется во всем мире для решения как военных, так и гражданских навигационных задач. GPS-приемник позволяет определять координаты объекта (широту и долготу), скорость его движения и точное время.

Российская спутниковая навигационная система (СНС) аналогичного назначения, известная под названием "Глонасс" (Глобальная навигационная спутниковая система) разрабатывалась по заказу Министерства обороны России, но сейчас применяется для предоставления навигационных услуг различным категориям потребителей - без каких-либо ограничений. Орбитальная группировка российской системы навигации была развернута в начале 90-х гг., а ее коммерческая эксплуатация осуществляется с 1995 г.

Архитектура и основные характеристики

Системы GPS и "Глонасс" имеют сходную архитектуру. В их состав входят космический сегмент, состоящий из 24 КА, сеть наземных станций наблюдения за их работой и пользовательский сегмент (навигационные приемники). Все спутники GPS/"Глонасс" являются автономными. Параметры их орбит периодически контролируются сетью наземных станций слежения, с помощью которых (не реже 1-2 раз в сутки) вычисляются баллистические характеристики, регистрируются отклонения КА от расчетных траекторий движения и определяется собственное время бортовых часов.

Наземные станции также контролируют исправность навигационной аппаратуры, установленной на борту КА. Для обнаружения отказов аппаратуры требуется, как минимум, несколько часов.

К основным характеристикам спутниковых навигационных систем (табл. 1) кроме точности и надежности определения координат относятся доступность и целостность. Термин доступность в системах навигации означает возможность доведения до пользователей навигационных сообщений. На практике доступность оценивается как вероятность получения потребителем навигационной информации в заданный временной интервал и с требуемой точностью.

Целостность характеризует способность системы обнаруживать свое неправильное функционирование и исключать возможность использования ее данных пользователями при недопустимых отклонениях рабочих характеристик. Фактически, когда речь идет о целостности системы, основной информацией являются данные о состоянии спутников и их неисправностях. Показатель целостности системы - это вероятность оповещения потребителей при нарушении ее работы системы в пределах допустимого временного периода.

Структура навигационных сигналов GPS

Каждый GPS-спутник излучает на двух частотах (L1 и L2) специальный навигационный сигнал в виде фазоманипулированной псевдослучайной последовательности. В сигнале зашифровываются два вида кода. Один из них - код С/А (coarse/acquisition, или clear/acquisition) - доступен широкому кругу гражданских потребителей. Он позволяет получать лишь приблизительную оценку местоположения, поэтому называется "грубым" кодом. Передача кода С/А осуществляется на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа. Защита от ошибок обеспечивается с помощью кода Гоулда. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц.

Другой код - P (precision code), обеспечивает более точное вычисление координат, но пользоваться им способны не все; доступ к нему ограничивается провайдером услуг GPS. В основном P-код предоставляется военным и федеральным службам США. Этот код передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота - 10,23 МГц.

Кроме этих кодов в сигнале GPS может присутствовать так называемый Y-код, являющийся шифрованной версией P-кода.

Кроме кодов С/А и P навигационный спутник регулярно передает специальное сообщение, которое содержит дополнительные сведения. Пользователь информируется о состоянии спутника и его параметрах - системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиту движения навигационного спутника), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и/или L2.

Использование стандартных навигационных приемников GPS/"Глонасс"

Координаты подвижного абонента определяются с помощью стандартного навигационного GPS- или GPS/"Глонасс"-приемника (рис. 1), встроенного в терминал пользователя. Устройство, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам. В отдельных случаях навигационная антенна совмещается со связной антенной абонентского терминала (например, в системе Inmarsat-C), а прием навигационных данных может осуществляться как в обслуживаемом, так и в необслуживаемом режимах его работы.

(1x1)

GPS/"Глонасс"-приемники чаще всего применяются, если необходимо получить высокую точность координат (погрешность не более 100 м). Захватив сигнал, навигационный приемник автоматически вычисляет координаты объекта, скорость сигнала и всемирное время и формирует отчет. Сведения о местонахождении объекта передаются по спутниковым каналам связи в диспетчерский пункт.

Навигационные устройства могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат.

Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками, что позволяет отслеживать практически все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта. Если каналов меньше, чем "наблюдаемых" спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание КА. Скорость обновления навигационных данных - 1 с. Время обнаружения зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения.

Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах - 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D устанавливается широта и долгота (высота считается известной); для этого достаточно присутствия в зоне радиовидимости трех спутников. Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее четырех КА. Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин и погрешность вычисления координат не более 100 м. Комбинированные GPS/"Глонасс"-приемники с обобщенным алгоритмом определения местоположения даже при использовании стандартного С/А-кода обеспечивают более высокую точность (15-20 м).

Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумящим усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал. К сожалению, массовый выпуск малогабаритных и относительно дешевых приемников "Глонасс" пока не налажен, поэтому услугой определения местонахождения с помощью этих приемников пользуются преимущественно российские потребители, да и то лишь в системах специального назначения.

На степень точности вычисления координат влияет ряд факторов, зависящих от процедуры их определения. Эти факторы принято называть факторами снижения точности. Как правило, при вычислении координат применяются следующие стандартные факторы снижения точности:

• геометрический фактор снижения точности (GDOP) говорит о степени влияния погрешностей псевдодальности (последняя характеризует меру удаленности потребителя от GPS-спутника) Вст. 1. показаний часов на точность вычисления координат. Зависит от положения спутника относительно GPS-приемника и от смещения показания GPS-часов. Различие значений псевдодальности и фактической дальности связано со смещением показаний часов GPS-спутника и потребителя, а также с задержками распространения и другими ошибками.
• горизонтальный фактор снижения точности (HDOP) показывает степень влияния точности определения горизонтали на погрешность вычисления координат;
• фактор снижения точности определения положения (PDOP) - это безразмерный показатель, который описывает, как влияет на точность определения координат погрешность псевдодальности;
• относительный фактор снижения точности (RDOP) по сути равен фактору снижения точности, нормализованному на период, составляющий 60 с;
• временной фактор снижения точности (TDOP) описывает степень влияния погрешности показаний часов на точность определения координат;
• вертикальный фактор снижения точности (VDOP) показывает степень влияния погрешности в вертикальной плоскости на точность определения координат.

Основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных вычислений, являются следующие.

Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability, S/A). Реализуя этот режим, провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских потребителей. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью загрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратической ошибки из-за влияния этого фактора составляет примерно 30 м.

Погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки в лучшем случае составляет 50%. Компенсировать ошибки, вызванные ионосферной рефракцией, можно при использовании для навигации сигналов, принимаемых на двух разных частотах.

Погрешности, обусловленные распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А-кодом не превышают 30 м.

Эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта КА. Значение погрешности обычно не больше 3 м.

Погрешность ухода шкалы времени спутника обусловлена расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

Погрешность определения расстояния до спутника. Данный показатель является статистическим, он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелирована с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.

Система GNSS

Новые возможности открывает европейская глобальная навигационная спутниковая система GNSS (Global Navigation Satellite System). Ее сигналы будут аналогичны по структуре сигналам систем GPS и "Глонасс", однако, в отличие от последних, в сообщения GNSS будут добавлены сведения о целостности навигационной системы и ряд других данных, позволяющих повысить точность определений. Система GNSS станет естественным расширением GPS и "Глонасс", обеспечивая совместимость с ними по структуре основных сигналов навигации.

К созданию системы GNSS привела идея мгновенной оценки текущего состояния орбитальных группировок GPS/"Глонасс" с помощью геостационарных КА и своевременного оповещения о нем потребителей. Пользовательская аппаратура GNSS оснащается оборудованием для обработки дополнительного навигационного сигнала. Эти сигналы будут формироваться в специальных региональных вычислительных центрах. Информацию о целостности GPS и "Глонасс" предполагается доводить до потребителей с помощью геостационарных КА по узкополосным каналам, называемым каналами целостности GIC (GPS Integrity Channel).

Однако для передачи данных и результатов навигационных измерений с помощью традиционных сигналов систем GPS/"Глонасс" необходим широкополосный канал DGIC (distance GIC). Использование такого канала в системе регионального дополнения RAS (Regional Augmentation System) систем GPS и "Глонасс" обеспечит большие доступность (благодаря дополнительным навигационным сигналам) и целостность (за счет оперативной передачи потребителям информации о целостности в самих навигационных сообщениях). Кроме того, передавая дифференциальные поправки в тех же навигационных сообщениях, можно реализовать дифференциальный режим определения координат.

Система регионального дополнения RAS создается на основе КА Inmarsat-3, на борту которого (и его последующих модификаций) размещается дополнительный ретранслятор сигналов. Навигационный комплекс КА Inmarsat-3 значительно проще аппаратуры, установленной на КА GPS и "Глонасс". Фактически, он является "прозрачным" ретранслятором сигналов, формируемых наземной станцией. Ретранслятор принимает сигналы в С-диапазоне (5,9-6,4 ГГц) и переизлучает их на частотах диапазонов С (3,6-4,1 ГГц) и L (1,5 ГГц). Сигналы, излучаемые в С-диапазоне, предназначены для приема наземными станциями GNSS-системы, а в L-диапазоне - пользователями систем GPS и "Глонасс".

Передача навигационных сообщений в радиоканале осуществляется со скоростью 500 бит/с; используется сверточное кодирование (1/2). Длительность GNSS сообщения - 1 с.

Начало блока данных жестко синхронизировано с 6-секундными временными метками системы GPS. Каждый блок содержит часть преамбулы из 8 бит, идентификатор типа сообщения из 6 бит, поле данных из 212 бит и 24 бит кода контроля четности. Преамбула является уникальным словом из 24 бит, распределенным на три последовательных блока. Идентификатор типа сообщения позволяет определить 64 вида сообщений (табл.2).

Другие характеристики, такие как фазовый шум, паразитное излучение и поляризация, должны соответствовать спецификации ICD-GPS-200 на систему GPS. Поскольку навигационный комплекс Inmarsat-3 - это прозрачный ретранслятор, для обеспечения когерентного приема требуется дополнительный контроль с наземной станции и, при необходимости, - соответствующая коррекция.

Предполагается, что навигационный сигнал будет включать в себя информацию о целостности и дифференциальные поправки для глобальной системы WAAC (Wide Area Augmentation System). Сообщение WAAC GPS содержит точные поправки для всех видимых спутников и другие данные для решения навигационных задач, требующих высокой точности результатов (например, для прецизионной посадки воздушных судов по категории 1).

Концепция упрощенных навигационных спутников NLS (Navigation LightSat), удовлетворяющих потребности гражданских потребителей и использующих новые спутниковые технологии, позволяет создать навигационный комплекс с малыми массой, потребляемой мощностью и стоимостью. Для обеспечения совместимости с аппаратурой пользователей систем GPS и "Глонасс" в структуру навигационного сигнала введены минимальные изменения. Несущая частота смещена относительно частоты L1 на 1,023 МГц (C/A-код) и равна 1576,443 МГц. Используемые коды относятся к семейству кодов Гоулда, как и в GPS.

Обнаружение сигнала L2 и слежение за ним поддерживаются контуром отслеживания сигнала L1. Несущая частота L2 смещена относительно сигнала GPS на 0,797 МГц и равна 1228,397 МГц, при этом уровень сигнала на 10 дБ ниже, чем на частоте L1.

Определение координат с помощью других навигационных систем

Спутниковая система Transit

Одной из самых первых в ряду таких систем была предложена навигационнная система Transit, использующая спутники, которые выводятся на полярную орбиту высотой около 1000 км. На борту КА установлены эталоны частоты и времени, синхронизируемые с Земли по каналам телеуправления каждые 100 мкс, а на наземной станции - приемоиндикатор. Местонахождение подвижного объекта устанавливается по доплеровскому сдвигу частоты. Погрешность определения координат составляет около 300 м, погрешность синхронизации шкал времени не превышает 50 мкс. Однако система Transit не нашла широкого коммерческого применения из-за сложности абонентского оборудования и его высокой стоимости.

Наземные системы

Координаты объекта могут быть определены также с помощью навигационных приемников фазовой разностно-дальномерной системы Decca с частотной селекцией сигналов, импульсно-фазовой разностно-дальномерной системы Loran-C и ряда других специализированных комплексов.

Система Decca работает в диапазоне частот 70-130 МГц. Дальность действия - 320 км, точность определения местоположения - 90-1500 м.

Система Loran-C использует способ определения местонахождения, основанный на вычислении гиперболических линий положения объекта по разнице времени прихода сигналов. Диапазон рабочих частот Loran-C 90-110 кГц. Точность расчета координат не превышает 0,25 нм. Погрешность составляет 90-460 м и зависит от географического положения объекта. Даже при идеальных условиях точность системы не может сравниться с той, которую обеспечивают спутниковые системы GPS/"Глонасс".

Навигационная система Loran-C имеет ограниченную рабочую зону 900-2200 км (в основном, территория США). Она чувствительна к плохим погодным условиям. В настоящее время приемниками Loran-C оснащены отдельные терминалы американской спутниковой системы Omnitracs.

Системы Omnitracs и Euteltracs

Эти спутниковые системы используют для определения координат в основном метод автоматического вычисления положения КА - ASPR (Automatic Satellite Position Reporting), предложенный компанией Qualcomm. Согласно ASPR, координаты объекта устанавливаются с помощью специального навигационного КА (positioning satellite). При этом основные (информационные) сигналы передаются центральной станцией через связной спутник, а контрольные (навигационные) сигналы - через другой. Перед началом сеанса связи мобильный терминал автоматически переориентирует свою антенну на навигационный спутник. Встроенное в терминал устройство определяет разницу времени прихода сигналов от двух КА (δt) и включает эти данные в состав навигационного сообщения, которое передается по обратному каналу на наземную центральную станцию (диспетчерский центр).

Европейским космическим агентством накоплен большой статистический материал по оценкам точности определения местонахождения объекта с помощью системы Euteltracs. Всего было произведено более 1000 измерений для различных типов рельефов местности в разных широтных районах - от 25° с.ш. (Сахара) до 70° с.ш. (Финляндия) - и при различных углах разнесения (3, 6 и 90°). Оценка точности определения координат контролировалась путем сопоставления вычисленных навигационных данных с параметрами, полученными при использовании GPS-приемника и мелкомасштабной карты. Результаты исследований показали, что основным фактором, определяющим точность, является угловое разнесение между навигационным и связным спутниками (рис.2).

Определение координат по доплеровскому сдвигу частоты

Этот способ применяется преимущественно в низко и средне орбитальных спутниковых системах, что обусловлено рядом факторов.

Автономный навигационный приемник или встраиваемая в спутниковый терминал навигационная плата GPS/"Глонасс" позволяет повысить оперативность и точность определения координат, но их использование приводит к увеличению энергопотребления и усложнению оборудования. Кроме того, сегодня комплект навигационной аппаратуры стоит не намного дешевле, чем портативный спутниковый терминал.

При этом, как показывает анализ потребительского спроса, далеко не всегда нужна высокая точность, обеспечиваемая приемниками GPS/"Глонасс". Для решения многих задач достаточно упрощенных навигационных устройств, какими являются, например, радиомаяки, радиобуи, датчики, применяемые для отслеживания миграции животных и др. Наконец, определение координат даже с невысокой точностью играет важную роль в системах персональной спутниковой связи с портативными терминалами типа "телефонной трубки", так как чаще всего эти координаты необходимы для организации глобального роуминга.

Аварийные радиомаяки

Наиболее простыми навигационными устройствами являются спутниковые радиомаяки, предназначенные для обнаружения судов и самолетов, потерпевших аварию. Они применяются в системах "COSPAS-SARSAT", ARGOS (Франция), "Курс" (Россия).

Система "COSPAS-SARSAT" состоит из двух подсистем обнаружения сигналов бедствия.

Первая обеспечивает работу через "прозрачный" ретранслятор на частоте 121,5 (243) МГц, которая выделена МСЭ в качестве аварийной для авиационной подвижной службы.

Вторая поддерживает работу через регенеративный ретранслятор в диапазоне частот 406,0-406,1 МГц, который отведен специально для сбора данных с аварийных радиомаяков (в этом диапазоне радиомаяк излучает не только координаты объекта, но и дополнительную информацию о самом объекте).

Местонахождение излучающих радиомаяков и радиобуев определяется спутниковой системой автоматически с использованием эффекта Доплера. Обеспечиваемая точность - не более 20 км на рабочей частоте 121,5 МГц и 5 км в случае излучения на частоте 406 МГц. Достаточно низкая точность определения координат в первом случае обусловлена большой нестабильностью частоты генераторов, особенно в радиомаяках старого поколения.

Место катастрофы устанавливается следующим образом. Радиомаяки или радиобуи обычно находятся в выключенном состоянии и срабатывают лишь в момент бедствия. Они начинают периодически посылать аварийные сообщения в эфир на одной из указанных выше частот. На входе ретранслятора частоты разных излучающих маяков случайным образом сдвинуты друг относительно друга вследствие различного доплеровского сдвига от произвольно расположенных на поверхности Земли объектов. Любой из низкоорбитальных спутников "Коспас" или "Сарсат" может обнаружить сигналы и ретранслировать на наземные станции приема и обработки информации.

Наземная станция обрабатывает аварийные сообщения, разделяя сигналы от разных радиомаяков по частоте. На основании полученных со спутника данных строится доплеровская кривая. Поскольку траектория движения КА точно известна, координаты объекта легко вычисляются путем решения навигационных уравнений. Для достижения необходимой точности расчетов для радиомаяков с частотой излучения 121,5 МГц требуется не менее двух итераций, т.е. неоднозначность в них разрешается только при двух проходах КА над объектом.

При приеме сигналов аварийных радиомаяков в диапазоне частот 406 МГц бортовая аппаратура осуществляет демодуляцию входных сигналов, производит измерение входной частоты и определяет доплеровский сдвиг. Кроме того, сигнал радиомаяка содержит информационное сообщение, которое выделяется из него и вместе с временной привязкой преобразуется в цифровой вид. Сформированные сообщения накапливаются и хранятся в бортовом запоминающем устройстве для последующей передачи на Землю в режиме глобального оповещения. Если в процессе сброса информации из памяти КА на Землю принимается сигнал другого аварийного радиомаяка, то передача данных на Землю прерывается (чтобы обработать вновь принятый сигнал и включить его в состав информативного кадра).

Для определения координат объекта при частоте излучения 406 МГц необходимо, как минимум, выделить и декодировать четыре отдельные посылки за один проход спутника. При этом на станции приема и обработки информации может быть построена доплеровская кривая за один проход КА над объектом.

Как известно, доплеровское определение местонахождения объекта дает два решения для каждого радиомаяка - истинное и зеркально отраженное относительно наземной проекции траектории движения КА. Эта неоднозначность устраняется с помощью расчетов, учитывающих эффект вращения Земли.

Использование низкоорбитальных спутников связи

В многоспутниковых системах связи, построенных на базе низкоорбитальных КА, вычисление координат объекта может выполняться непосредственно абонентским оборудованием (терминалом) или наземной станцией сопряжения (диспетчерским пунктом).

При определении координат с помощью абонентского устройства потребителя используются расчеты, основанные на измерении дальности до КА - по сигналу, принимаемому во время его пролета в зоне радиовидимости абонента - и эфемеридной информации, которая периодически передается с борта КА по служебному каналу (эфемериды формируются средствами бортовой автономной навигационной системы спутника связи). На основе полученных баллистических данных производится расчет траектории движения КА и определяется его текущее положение. Зная координаты КА и доплеровский сдвиг, с помощью дифференциального или интегрального метода можно установить координаты объекта.

Если в зоне радиовидимости объекта виден только один КА, для решения навигационной задачи достаточно четырех измерений, сделанных с заданным временным интервалом при его пролете над объектом. Точность вычислений оказывается более высокой, если вычисление доплеровского сдвига производится по сигналам нескольких КА или прием сигналов происходит одновременно на нескольких частотах. Результаты навигационных измерений могут использоваться непосредственно потребителем или передаваться в автоматическом режиме (с заданной периодичностью, например 1 раз в час) по каналу спутниковой связи в диспетчерский центр.

С помощью наземной станции координаты определяются лишь в том случае, когда на борту КА применяется "прозрачный" ретранслятор (без обработки информации на борту). Возможны два метода - пассивный и активный (запрос с активным ответом). При пассивном методе наземная станция принимает сигналы от абонентского терминала и измеряет доплеровский сдвиг. Доплеровский сдвиг в линиях связи "Земля-спутник" и "спутник-Земля" изменяется независимо от направления (т. е. его частота может не только принимать различные значения, но и иметь противоположный знак). Для устранения этой погрешности необходимо, чтобы на наземной станции были точно известны не только ее географические координаты и текущее положение КА, но и точное время. Это позволяет вычислить доплеровскую кривую на каждом участке линии, а следовательно, однозначно определить координаты объекта.

При использовании активного метода наземная станция посылает сигналы-запросы на частоте f₁, которые ретранслируются всем наземных объектам. Терминалы пользователя принимают эти сигналы и ретранслируют их на разных частотах или в различные временные интервалы. На наземной станции измеряется время запаздывания δt ответных сигналов относительно запросных. Достаточно трех измерений (δt₁, δt₂ и δt₃), сделанных с помощью разных КА или одного спутника, но через определенные промежутки времени, чтобы вычислить координаты пользователя. Объект будет находиться в точке пересечения трех сфер с КА в центре каждой из них . При таком способе точность вычисления координат повышается, но на это затрачивается часть пропускной способности системы, необходимой для передачи избыточной (служебной) информации.

С помощью наземной станции можно достаточно точно определить координаты объекта, если в зоне радиовидимости находятся одновременно не менее двух КА. В этом случае оценивается сдвиг по времени при получении одного и того же сигнала, пришедшего по двум различным путям. Наличие в зоне одновременно нескольких КА позволяет организовать разнесенный прием через разные спутники, а следовательно, повысить надежность связи (такой принцип реализован в системе Globalstar).

Если в зоне радиовидимости присутствует только один спутник, наземная станция также способна однозначно определить координаты пользователя. Для этого производят несколько последовательных отсчетов дальности и накапливают их результаты по мере движения КА по орбите.

Возможность определения местоположения по собственным сигналам низкоорбитальных КА предусмотрена в ряде систем - Orbcomm, Globalstar, Iridium и др. Точность определения координат во всех этих системах обычно не превышает 0,3-1 км и зависит от таких факторов, как количество наблюдаемых КА, точность вычисления параметров КА, продолжительность связи и др.

При связи с одним КА погрешность составляет не менее 10 км. Если же в зоне радиовидимости находятся одновременно два КА (и угол между ними не менее 22°), то с вероятностью 0,95 менее чем за 10 с координаты абонента вычисляются с точностью не хуже 300 м. При пассивном методе погрешность не превышает 0,5-1 км. Данные по точности навигационных определений для низкоорбитальных систем Orbcomm и Globalstar приведены в табл. 3.

Определение координат подвижных абонентов принципиально возможно и в системах со средневысотными КА. При периоде обращения 6 ч максимальный доплеровский сдвиг для систем с высотой орбиты 10 350 км (Odyssey, ICO) составляет (Dt_м= +6 · 10^-6f₀. Имеющихся в системах на средних высотах КА достаточно, чтобы наблюдать "созвездие" из двух или трех спутников под большими рабочими углами видимости. При этом местоположение объекта можно определить с точностью до 15 км.

Электронная картография

Благодаря появлению недорогих GPS-приемников процедура определения координат на местности стала простой и доступной, что дало своеобразный импульс к развитию систем электронной картографии. Зарубежные фирмы, такие как Ashtech, Trimble Navigation, Magellan Systems и др., предлагают широкий выбор не только GPS-приемников, но и программных продуктов, ориентированных на создание электронных карт. Однако в России зарубежные электронные картографические комплексы не получили широкого распространения из-за достаточно высокой цены и низкой степени детализации оцифрованных географических районов.

Все чаще появляются картографические комплексы, разработанные российскими фирмами. Уже прошел тестовые испытания отечественный комплекс электронного картографирования НПО "Элерон". Он использовался для отслеживания местоположения поезда, имитирующего перевозку опасных грузов. Эксперимент проводился в 1997 г. на поезде, следующем по маршруту Москва-Екатеринбург-Москва. Его координаты передавались по спутниковым каналам российской системы "Гонец-Д1" (2,7 кбит/с) и международной Inmarsat-C (600 бит/с).

Отсчет координат с GPS-приемников производился каждые 10 мин. Кроме данных о местоположении передавались экстренные сообщения с аварийных датчиков, контролирующих состояние груза внутри вагона, а также датчиков охранной сигнализации (контроль несанкционированного доступа). Система управления комплексом предусматривала автоматическую передачу оперативных данных по запросу через заданные временные интервалы (например, 1 раз в N минут). Все переданные/полученные сообщения автоматически регистрировались в электронном журнале.

Данный комплекс обеспечил отображение движения поезда на электронной карте России. Нанесенная на электронные карты информация (пометки на карте или присоединенная информация из прикладных баз данных) мгновенно передавалась диспетчеру вместе с оперативными данными об объекте (местоположение, аварийные ситуации и др.).

Методы повышения точности навигационных определений

Метод дифференциальных поправок

Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта и устранения ошибок, связанных с введением режима селективного доступа, основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений.

Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 5 м в динамической навигационной обстановке и до 2 м - в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приемник, и дает возможность одновременно отслеживать GPS-спутники.

Опорная станция включает в себя измерительный датчик GPS с антенной, процессор, приемник и передатчик данных с антенной. Станция, как правило, использует многоканальный приемник GPS, каждый канал которого отслеживает один видимый спутник. Необходимость непрерывного отслеживания каждого КА обусловлена тем, что опорная станция должна "захватывать" навигационные сообщения раньше, чем приемники потребителей. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными, контрольный GPS-приемник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате.

Аппаратура потребителя включает в себя GPS-приемник с антенной, оснащенный процессором и дополнительным радиоприемником с антенной, который и позволяет получать дифференциальные поправки с опорной станции. Поправки, принятые от опорной станции, автоматически вносятся в результаты собственных измерений пользовательских устройств.

Для каждого КА, сигналы которого поступают на GPS-приемник, поправка, полученная от опорной станции, складывается с результатом измерения псевдодальности. Вычисленная поправка δсум определяется в виде δсум = δ1 + δ2 х (t-δt ), где δ1 - поправка псевдодальности, передаваемая в сообщении; δ2 - поправка псевдоскорости (скорости изменения поправки), передаваемая в сообщении; t - время измерения приемником потребителя; δt - временная привязка поправки.

Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приемнику) причинами, что обычно характерно для системы GPS.

Погрешности S/А и "уходы" шкалы времени компенсируются в дифференциальном режиме полностью. Погрешности вследствие задержки сигналов в атмосфере зависят от идентичности условий прохождения сигналов к опорной станции и объекту, а следовательно, от расстояния между ними. Эти погрешности компенсируются полностью лишь при близком расположении опорной станции и объекта. Эфемеридная погрешность также лучше всего компенсируется при небольшом удалении потребителя от опорной станции. По данным причинам опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта.

Методы контроля за целостностью

Основными достоинствами навигационных систем GPS и "Глонасс" являются глобальность обслуживания, высокая точность и непрерывность определения координат и скорости движения объекта. Кроме того, обе системы обладают возможностями повышения точности и надежности навигационных измерений в результате применения дифференциального режима.

Действуя в штатном и дифференциальном режимах, эти навигационные системы полностью удовлетворяют требованиям точности при определении местоположения гражданских потребителей. Однако в глобальной рабочей зоне существующие системы GPS и "Глонасс", использующие КА на негеостационарных круговых орбитах, не вполне отвечают требованиям отдельных категорий пользователей. В первую очередь, это касается авиации, где необходимы информация о целостности систем GPS и "Глонасс" и высокая точность навигационных данных о доступности объекта.

Системы с геостационарными КА способны мгновенно оценивать текущее состояние орбитальных группировок GPS/"Глонасс" и своевременно оповещать об этом потребителей. Кроме того, пользовательская аппаратура может быть оснащена устройством для получения дополнительного навигационного сигнала, повышающего точность навигационных параметров.

В настоящее время ведутся работы по улучшению показателей доступности и целостности систем GPS/"Глонасс", особенно в части повышения достоверности контроля за их работоспособностью и сокращения времени оповещения объекта о целостности системы.

Возможны два варианта контроля за целостностью системы, основанные на внутренних и внешних методах контроля.

Внутренние методы предполагают использование избыточной информации навигационных датчиков потребителя, которую они получают, принимая навигационные сигналы от большего, чем минимально необходимо, числа спутников. С помощью специальных алгоритмов легко обнаружить и/или идентифицировать источник неправильной информации. При обнаружении источника производится полная отбраковка полученных решений навигационных задач; если же спутник, передающий неверные данные, точно идентифицирован, то из расчетов исключаются только те параметры, которые были определены по сигналам этого КА.

Внешние методы основаны на создании сети станций для обеспечения контроля за работоспособностью навигационных спутников в режиме реального времени. В этом случае узел сети - региональный вычислительный центр - осуществляет обработку данных, получаемых от наземных станций слежения, и формирует сообщение о целостности системы.

Процедура внешнего контроля является более сложной, поскольку требует создания наземной сети. Однако такое решение задачи целостности позволяет получить более полную информацию о системе, которой принципиально не может располагать отдельный потребитель при автономном контроле за целостностью. В частности, внешние методы контроля позволяют точно определять координаты КА в орбитальных группировках систем GPS и "Глонасс", а также точные поправки для синхронизации временных шкал геостационарных КА и спутников GPS/"Глонасс".