Сегмент управления и контроля

Как уже отмечалось, определение местоположения точки на земной поверхности осуществляется по спутникам, положение которых известно. При абсолютном методе определения координат, когда используются данные только одного приемника, ошибка определения координат будет такого же порядка, что и точность определения параметров орбиты.

Как правило, параметры, используемые для вычисления орбит, нестабильны и требуют постоянного уточнения. Спутники, используемые для этих целей, находятся на высоких орбитах, где влияние атмосферы на движение спутника не сказывается. Поэтому полет спутника по орбите вокруг Земли описывается простыми математическими соотношениями. Спутники выводятся на свои орбиты достаточно точно. Так как торможение из-за влияния атмосферы отсутствует, то изменения орбиты и периода обращения в течение длительного времени достаточно малы и вызваны такими явлениями, как гравитационное притяжение Луны и Солнца, солнечное световое давление на спутник и другими факторами. Несмотря на незначительную величину, все эти силы могут вносить существенные изменения в орбиту космического аппарата. Существует также множество других сил, таких как эффект сопротивления среды, но они настолько малы, что их можно не учитывать.

Моделирование сил, оказывающих сильный возмущающий эффект на орбиты спутников, важно на этапах разработки системы, ее эксплуатации и проведения научных исследований. Спутники отслеживаются относительно небольшим числом наземных станций, и поэтому число измерений, используемых для прогнозирования орбит, соответственно, мало. Для высокоточного вычисления параметров орбит используют эмпирические параметры и аналитическую модель, базирующуюся на всех доступных данных о конструкции и ориентации космического аппарата. Применение аналитической модели расширяет возможности понимании работы системы и помогает спрогнозировать ее работу в любой момент срока эксплуатации. Это позволяет повысить точность прогнозирования параметров орбит и уменьшить число станций слежения, необходимых для эксплуатации системы (следовательно, снизить ее стоимость), а также увеличить «время действия» спрогнозированных орбит. Фактические орбиты спутников вычисляют, опираясь на измерения дальности и моделирования сил, а также прогнозируя их изменения. Орбиты известны заранее, а каждый приемник имеет в памяти своего компьютера «альманах», т. е. постоянно обновляемый справочник, где содержится информация о местоположении каждого спутника и любой момент времени.

Навигационные спутники не располагаются на геостационарных орбитах подобно телевизионным спутникам. Обращаясь вокруг планеты один раз за 12 ч, они проходят над контрольными станциями дважды в сутки. Это дает возможность точно измерять их положение, высоту и скорость. Отклонения от теоретических орбит, которые обнаруживают контрольные станции, называются «ошибками эфемерид». Они обычно очень незначительны, и вычисленные поправки к орбите передаются обратно на спутник, заменяя собой в памяти его бортового компьютера прежнюю информацию. Каждый спутник вместе с дальномерными кодовыми сигналами непрерывно передает на Землю эти поправки о своем, точно вычисленном положении на орбите и движении остальных спутников данного созвездия. Кроме того, передается различная служебная информация. На земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определенный промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение при передаче спутнику навигационного сигнала. Одновременно передаются частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения спутников производятся по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости. В течение 30 – 40 мин. выполняется анализ работоспособности спутника и, в случае необходимости, осуществляется соответствующая корректировка путем введения поправок в модель или в навигационные данные. Каждые 24 часа производится загрузка навигационных данных, состоящих из прогнозированных орбит и поправок часов для каждого спутника. Если спутник находится в зоне видимости, срочные загружаемые команды могут быть выполнены в течение нескольких минут.

Для определения и прогнозирования пространственного положения спутников и расхождения их шкал времени с временной шкалой системы, а также для приема и анализа телеметрической информации о состоянии бортовых систем служит сегмент управления и контроля для каждой спутниковой системы. Он состоит из одной ведущей станции управления и нескольких станций слежения, расположенных в различных точках земного шара. Станции слежения ведут траекторные и временные измерения.

Рис. 13. Взаимодействие различных станций,
входящих в сегмент управления и контроля

Ведущая станция объединяет операторов и наблюдателей станций слежения, рассредоточенных по всей планете (рис. 13). Она собирает информацию от станций слежения, формирует массив служебной информации (альманах, эфемериды, частотно-временные поправки) и программу управления бортовыми средствами. Загружающая станция пересылает в бортовые запоминающие устройства служебную информацию и программу управления, а также ведет оперативное управление работой бортовых средств каждого из спутников.

Рис. 14. Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС:

ЦУС – центр управления системой ГЛОНАСС; ЦС – центральный синхронизатор; КС – контрольная станция; СКФ – система контроля фаз; КОС – квантово-оптическая станция; АКП – аппаратура контроля параметров; КСС – контрольная станция слежения

Все спутники находятся под постоянным контролем. Современные технические средства, установленные на станциях слежения, позволяют определять местоположение искусственных спутников с высокой точностью в любом месте Земли и в течение суток. На рис. 14 показана схема станций слежения, управления и контроля, расположенных по всей территории России. В задачи сегмента входит контроль правильности функционирования космических аппаратов, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. Этот сегмент также включает навигационные приемники и устройства обработки, предназначенные для приема навигационных сигналов спутников ГЛОНАСС и вычисления координат, скорости и времени.

В США главная управляющая станция (Master Control Station – MCS) для созвездия Navstar, с которой осуществляется управление GPS в мировом масштабе, находится на базе ВВС Шривер, шт. Колорадо, США (рис. 15).

Рис. 15. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS:

n – главная управляющая станция; l – станции слежения; p – наземные антенны

Эта станция обслуживает порядка 200 различных спутников, принадлежащих США и обеспечивающих связь, навигацию, наблюдение и определение погоды. (Всего в космосе функционирует более 500 спутников.) Помимо пяти станций слежения, которые находятся на островах Кваджалейн и Гавайях в Тихом океане, на острове Вознесения, на острове Диего-Гарсия в Индийском океане, а также в Колорадо-Спрингс, планируется создание еще одной станции наблюдения на мысе Канаверал, шт. Флорида. К сети имеющихся станций наблюдения добавляются еще шесть станций Национального управления картографирования (NIMA). Информация со станций наблюдения, которые используют приемники GPS, передается на главную управляющую станцию, обрабатывается и используется для обновления эфемерид спутников и создания модели параметров спутника. Наземные антенны служат для приема данных о функционировании спутников (телеметрии) и для передачи команд и обновленной навигационной информации на спутники. За сутки проводится 70 – 80 контактов с созвездием спутников, во время которых выполняются тесты функционирования подсистем.

Кроме того, в случае отклонения от штатной работы космического аппарата предпринимаются необходимые действия по корректировке режима работы тепловых, электрических и механических устройств спутника. О планируемых остановках в работе сообщается за 96 ч до перевода спутника в автономный режим. Корректировка положения спутника в плоскости орбиты с использованием небольших двигателей-ускорителей осуществляется в основном один раз в год, однако при необходимости может производиться и чаще. Если спутник отработал полностью, то он отводится на расстояние 1,1 тыс. км от стандартной орбиты для вывода его из созвездия.

Сегмент потребителя

Сегмент потребителя представляет собой комплект спутникового оборудования, позволяющий получать координаты пункта наблюдений, точное время, а также скорость и направление перемещения объекта. Во время работы осуществляется прием радиосигналов со спутников, регистрируются определяемые величины, производится предварительная обработка результатов непосредственно в полевых условиях, и затем в камеральных условиях выполняется окончательная обработка (так называемая «постобработка») материалов, позволяющая получить окончательные значения величин, интересующих потребителя. Спутниковая аппаратура может быть использована для военных целей и поэтому должна работать оперативно и надежно при ведении боевых действий. При этом создаются условия, при которых использование системы позиционирования было бы недоступно для потенциального противника. Гражданское применение спутниковой аппаратуры ориентировано на ее использование в навигации, а также в геодезии.

Спутниковая геодезическая аппаратура состоит из целого набора аксессуаров. В комплект одного спутникового приемника входят: антенна, приемник, контроллер (управляющее устройство), блок питания (для зарядки аккумуляторов и питания от сети), аккумуляторы или батареи, кабели, штатив или вешка, а также устройства крепления или установки антенны на них, рюкзак или кейс, чехлы и пр. оснащение. При работе в режиме реального времени необходим радиомодем с блоком питания и радиоантенна. Для обработки результатов наблюдений – компьютер и программное обеспечение.

К настоящему времени разработаны десятки типов аппаратуры пользователя для морской и воздушной навигации, геодезии и других целей. Уже функционируют десятки тысяч приёмников сигналов спутников системы GPS.

Навигационные определения координат с использованием P-кода обеспечивают точность автономного (без привязки к опорным пунктам) непрерывного знания координат места с точностью ~3 – 5 м. Точность определений с использованием C/A-кода ниже - ~30 – 50 м. Точность в обоих случаях ограничивается погрешностями измерения времени поступления на приемник пользователя излучённых спутником C/A и P-кодов, влиянием на результаты измерений условий распространения радиосигналов, ошибками определения орбиты. Большей точности (1 - 2 м) достигают, используя дифференциальный метод измерений, когда определяется положение одного пункта относительно другого.

Такая точность в полной мере удовлетворяет нужды морской и воздушной навигации. Благодаря легкости и малым габаритам приёмников GPS, они находят применение в геологии, рекогносцировочных изысканиях, туризме, военном деле, в оборудовании автомобилей.

При использовании системы для решения геодезических задач, выполняя измерения непосредственно на несущих частотах L₁ и L₂ и применяя дифференциальный метод, достигают очень высокой точности - около 1:1000 000 расстояния между пунктами.

В настоящее время спутниковые приемники выпускают более 400 фирм, и они характеризуются сравнительно большим разнообразием, но отличительные особенности приемных устройств, выпускаемых различными фирмами, в большинстве случаев, носят непринципиальный характер.

3.3. Определение координат измерением псевдодальностей
с помощью кодов

Задачей глобальной спутниковой системы является определение координат объектов (судов, самолётов, объектов на суше). При всём разнообразии выпускаемых приборов в состав аппаратуры пользователя всегда входят: антенный блок, блок приёмника и вычислительно-управляющий блок, оформляемые часто в виде единого прибора, который для краткости будем называть приёмником. В таком приёмнике, как и на спутнике, имеется датчик частот L₁ и L₂ (бывают и одночастотные приёмники) и измеритель времени – часы. Также генерируются подобные спутниковым C/A- и P-коды (последний – если доступ к нему санкционирован, то есть известны правила его формирования, изменяемые каждую неделю).

Рис. 16. Двоичные синхронные сигналы,
вырабатываемые передатчиком спутника (а) и приемником (б)

Приемник измеряет интервал времени между формированием собственного кода и поступлением кода от спутника. Если бы часы приёмника были точно синхронизированы с часами спутника, то формирование кодов везде происходило бы одновременно, и интервал времени между появлениями на приёмнике собственного кода и кода, пришедшего от спутника, был бы равен времени движения сигнала от спутника до приёмника, что позволило бы, измерив его, вычислить расстояние спутник - приёмник. Однако показания часов спутника и приёмника расходятся на некоторую величину d_s - d_i , где d_s - поправка часов спутника и d_i - поправка часов приёмника. Поэтому расстояние r от приёмника до спутника равно

r = R + c(d_s - d_i) + d_ion, (8)

где R - измеренное значение расстояния, существенно отличающееся от верного и потому называемое псевдорасстоянием; c – скорость света; d_ion - задержка сигнала в ионосфере и тропосфере.

Задержка сигнала в ионосфере ослабляется особым комбинированием измерений, выполненных на двух разных частотах (что делает двухчастотные приемники более точными), или введением поправки, вычисляемой с использованием параметров, содержащихся в навигационном сообщении. Меньшая по величине тропосферная задержка исключается введением поправки, вычисляемой по метеорологическим данным.

Поправку d_s часов спутника, ежесуточно контролируемую наземным комплексом системы, можно считать известной, а остаточную погрешность в ней - малой по сравнению с неизвестной поправкой часов приёмника. Учитывая названные поправки, получим: r = R - cd_i.

Для определения координат пункта i измеряют несколько псевдорасстояний R до разных спутников s и в разные моменты времени t.

Чтобы различать в дальнейшем результаты измерений и другие переменные, относящиеся к разным пунктам, спутникам и моментам времени, при соответствующих обозначениях будем указывать в нижнем индексе знак определяемого пункта, в верхнем индексе - имя спутника, а в скобках - момент времени (эпоху). Например, расстояние от пункта i до спутника s в эпоху t запишется так: .

Перенеся измеренные величины в левую часть равенства, а определяемые - в правую, для соответствующего псевдорасстояния напишем уравнение

, (9)

где

. (10)

В уравнении (9) неизвестными являются: x_i, y_i, z_i, d_i(t). При числе наблюдаемых спутников n_s и числе эпох измерений n_t общее число уравнений (9), равное числу выполненных измерений, будет n_sn_t. Решением системы таких уравнений находят координаты пункта i и поправку часов d_i(t). Полагая приёмник i неподвижным, а смещение часов изменяющимся, находим, что число неизвестных равно 3 + n_t (3 координаты и n_t поправок часов). Для определения названных неизвестных необходимо, чтобы число измерений было не меньше числа неизвестных, т. е. n_sn_t ³ 3 + n_t. Так, если измерения ведутся на 4 спутника (n_s = 4), то должно соблюдаться неравенство 4n_t ³ 3 + n_t, из которого видно, что для определения координат приёмника достаточно одной эпохи измерений. Легко проверить, что при наблюдении двух спутников необходимы две эпохи измерений.

При использовании C/A-кода погрешность измерения псевдорасстояний составляет несколько метров, а при использовании P-кода - доли метра. К этой погрешности добавляются погрешности координат спутников, остаточные погрешности влияния ионосферы и другие. В результате координаты получают с помощью С/А-кода с точностью 25 – 30 м, а с помощью Р-кода – 3 – 5 м.