Спутниковые радионавигационные системы

В настоящее время в геодезии, где требуется знание положения объектов в пространстве, широко применяются спутниковые радионавигационные системы (СРНС). К ним относятся глобальная система NAVSTAR GPS (Navigation Satellite Timing and Ranging Global Positioning System – США) и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система – Россия). Странами Европы ведутся разработки по созданию еще одной подобной системы Galileo.

Спутниковая система NAVSTAR GPS (или кратко – GPS). Сейчас она является наиболее распространенной и широко используемой. Система состоит из трех сегментов (рисунок 5.13) – это космический сегмент, наземный сегмент управления и сегмент пользователей.

Космический сегмент включает 24 искусственных спутника Земли (ИСЗ), обращающихся вокруг Земли по шести орбитам, близким к круговым, на высоте около 20183 км, чему соответствует период обращения, равный половине звездных суток (11 ч 57 мин 58,3 с). Наклонение орбит – 55°. При этом в любом месте Земли, если нет заслоняющих препятствий, обеспечена одновременная видимость на высоте более 15° от 4 до 11 спутников (рисунок 5.14).

Подсистема космических аппаратов ГЛОНАСС Подсистема космических аппаратов GPS

Рисунок 5.14 – Космический сегмент систем ГЛОНАСС и GPS

На каждом спутнике установлены: водородный стандарт частоты и времени, генерирующий опорную частоту 10,23 МГц с суточной нестабильностью 10^-14– 10^-15 и формирующий несущие частоты радиоизлучения L₁ и L₂, радиопередатчик (для посылки сигналов потребителям) и приемник (для

приема информации от наземного сектора управления). Кроме того, имеются бортовой вычислительный процессор, солнечные батареи, аккумуляторы, системы ориентации и коррекции орбиты.

Наземный сектор управления выполняет определение параметров орбит и ошибок часов спутников, закладку навигационной информации на спутники и контроль функционирования технических средств системы. В состав сектора входят главная контрольная станция, станции слежения, управляющие станции (рисунок 5.15).

Сектор пользователей представляет собой множество технических средств, находящихся на поверхности Земли, в воздухе или околоземном космическом пространстве и выполняющих прием информации со спутников для измерения пара метров, которые связывают положение аппаратуры пользователя с расположением спутников (рисунок 5.16). В результате обработки измеренных параметров получают координаты приемника пользователя, а при необходимости, и скорость его движения.

Рисунок 5.16 – Полевые геодезические приемники Leica System 1200

Спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС разработана в 70-е годы на основе опыта эксплуатации предшествующей допплеровской СРНС «Цикада». Первые спутники системы ГЛОНАСС («Космос-1413»,

«Космос-1414» и «Кос-мос-1415») были запущены в 1982 г. Далее сеть спутников наращивалась с темпом 1–2 запуска в год. В 1988–1991 гг. началась эксплуатация системы. С 1995 г. она используется для гражданского применения. Параметры системы ГЛОНАСС приведены в таблице 5.1.

Таблица 5.1. – Параметры СРНС

Тип системы	ГЛОНАСС	GPS
Число ИСЗ в системе
Число орбит	3 (через 120°)	6 (через 60°)
Число ИСЗ на орбите	8 (через 45°)	4 (через 90°)
Тип орбиты	Круговая	Круговая
Высота орбиты	19 100 км	20 145 км
Наклонение орбиты	64,8°	55°
Период обращения	11 ч 15 мин 44 с	11 ч 57 мин 58,3 с
Система координат	ПЗ-90	WGS-84

В системе ГЛОНАСС излучаемые спутниками частоты также модулированы дальномерными кодами и навигационным сообщением. Но в отличие от GPS коды всех спутников одинаковы, а разделение сигналов различных спутников – частотное.

Для производства измерений датчик устанавливают на штативе или на полутораметровой штанге, применяемой для выполнения кратковременных измерений. Управление приемником выполняется с помощью клавиатуры и дисплея контроллера.

Режимы наблюдений спутниковыми приемниками подразделяются на абсолютные и относительные. При абсолютных наблюдениях, используя кодовые измерения, определяют координаты пунктов, а при относительных – приращения координат (иногда их называют вектором базы между пунктами).

В геодезической практике часто используются относительные измерения как наиболее точные. Существуют несколько режимов относительных наблюдений, которые, в свою очередь, подразделяются на две группы: статические и кинематические. При любом режиме относительных измерений один из приемников находится на пункте с известными координатами, а другие – на определяемых пунктах.

Статика. Статический режим наблюдений как наиболее точный является основным методом при создании сетей, однако он требует наибольших временных затрат. Время измерения одного пункта колеблется от 40 мин до нескольких часов (в зависимости от требуемой точности измерений, числа и расположения наблюдаемых спутников, состояния ионосферы и т.п.).

Быстрая статика. Это разновидность статического режима измерений, при котором время наблюдений может быть сокращено до 10–15 мин. Информацию о необходимом времени наблюдений оператор получает от приемника, когда получен достаточный объем информации. Чтобы избежать неоднозначности при обработке результатов наблюдений, практикуют возврат приемника на ранее определенный пункт или меняют местами антенны.

Кинематика. При кинематическом режиме измерений передвижной приемник, который иногда называют роверным (rover – скиталец), устанавливают в определенных пунктах на короткое время. Такой метод называют «стой и иди» (stop and go). Кинематический режим измерений начинают с инициализации, т.е. с начальных измерений, при которых выполняется разрешение неоднозначности.

Для инициализации оба приемника устанавливают в нескольких метрах друг от друга; время измерений составляет примерно 15 мин. Если роверный приемник устанавливают вдалеке от опорного, то время инициализации увеличивается и может достигать 1 ч.

После завершения инициализации роверный приемник переключают в режим кинематики и перемещают к следующему определяемому пункту. При перемещении роверный приемник должен оставаться в рабочем режиме и обеспечивать прием сигналов от не менее четырех одних и тех же спутников. На крытой местности, особенно под мостами, могут возникать срывы непрерывных измерений, о чем приемник информирует наблюдателя звуковым сигналом и записью на дисплее. В таком случае необходимо вернуться на один из ранее определенных пунктов или перейти в режим статики и повторить инициализацию приемников. При установке роверного приемника на определяемом пункте оператор записывает его название (или номер), определяет высоту приемника над пунктом и вводит эти данные в приемник.

Кинематика «в полете». Кинематика «в полете» (on the fly – OTF) – это разновидность кинематического режима наблюдений без инициализации приемников. Он используется в тех случаях, когда есть уверенность, что время непрерывного приема достаточного числа спутников составляет не менее 20 мин. За это время накапливается достаточное количество информации для успешного разрешения неоднозначности.

Кинематика в реальном времени. При необходимости выполнить обработку результатов наблюдений на роверном приемнике одновременно с измерениями используют режим «кинематика в реальном времени» (Real Time Kinematics – RTK). С этой целью на опорном приемнике устанавливают радиомодем, который обеспечивает дополнительную цифровую радиосвязь с роверными приемниками, снабженными также приемными радиомодемами. На опорном приемнике вычисляют необходимые поправки в результаты измерений и передают на роверные приемники. На роверных приемниках осуществляется обработка результатов фазовых измерений с учетом принятых поправок. Время получения приращений координат занимает несколько секунд.

Результаты измерений регистрируются на жестких картах памяти и обрабатываются на персональных компьютерах с помощью специального программного обеспечения.