Глобальні системи визначення місця розташування навстар і глонасс

Бурхливий розвиток науки й техніки в останні десятиліття дозволило створити принципово новий метод визначення координат і збільшень координат - супутниковий. У цьому методі замість звичних геодезистам нерухомих пунктів геодезичної мережі з відомими координатами використовуються рухливі супутники, координати яких можна обчислити на будь-який, що цікавить геодезиста момент часу.

У цей час використовуються дві супутникові системи визначення координат: російська система ГЛОНАСС, що є абревіатурою більше довгої й точної назви ГЛОбальна Навігаційна Супутникова Система й американська система NAVSTAR GPS: NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System (навігаційна система визначення відстаней і часу, глобальна система позиціювання). У цьому випадку під словом «позиціювання» мається на увазі визначення координат. Обидві системи створювалися для рішення військових завдань, але в останні роки знайшли широке застосування в геодезії, забезпечуючи винятково високі точності визначення збільшень координат із середньої квадратичною помилкою 5 мм-D10^-6, координати ж одиночного приймача можуть бути визначені із середньої квадратичною помилкою від 10м до 100м.

У зв'язку з тим, що в геодезичних вимірах GPS застосовується істотно ширше, особлива увага буде приділено саме цій системі.

Всю навігаційну супутникову систему визначення місця розташування прийнято ділити на три сегменти: космічний сегмент; сегмент контролю й керування; сегмент користувачів (приймачі супутникових сигналів).

Сучасна система NAVSTAR GPS і ГЛОНАСС в повній комплектації повинна складатися з 21 діючого супутника й трьох запасних. Орбіти супутників практично кругові й розташовані в трьох орбітальних площинах (для ГЛОНАСС, рис. 14.1) і в шести орбітальних площинах (для NAVSTAR, рис. 14.2). Супутники оснащені сонячними батареями, які забезпечують енергією всі системи, у тому числі й під час проходження супутника в тіні Землі.

Орбіти супутників практично кругові й розташовані на геодезичної висоті, рівної 20180км і на відстані 26600км від центра Землі. Така кількість супутників й їхнє розташування забезпечує одночасний прийом сигналів як мінімум від чотирьох супутників у будь-якій частині Землі.

Всі супутники рівномірно розташовані в шести орбітальних площинах. Період обігу супутників становить 12 годин зоряного часу, у зв'язку із чим кожен супутник з'являється в тім же місці щодня на 4 хвилини раніше вчорашнього положення. Електроенергією супутник забезпечують дві сонячні батареї площею 7,2м² кожна, заряджаючи також акумулятори для забезпечення працездатності супутника під час його польоту в тіні Землі. Кожен супутник постачений кварцовим стандартом частоти, двома цезієвими й двома рубідієвими стандартами частоти, які підтримують стабільність годин супутника в межах 1◦10^-12÷1◦^10-13. Цезієві й рубідієві стандарти частоти координують й управляють основною частотою - кварцовим стандартом частоти, що генерує 10,23 Мгц. З основної частоти формують дві частоти діапазону частот з назвою L-діапазон.

L₁ = 10,23◦154= 1575,42 МГц (довжина хвилі 19,05 cм),

L₂= 10,23 ◦ 120 = 1227,60 Мгц (довжина хвилі 24,45 см).

Рис. 14.1. Супутникова навігаційна система ГЛОНАСС

Рис. 14.2. Супутникова навігаційна система NAVSTAR GPS

Рис. 14.3. Навігаційний супутник ГЛОНАСС

Рис. 14.4. Навігаційний супутник NAVSTAR GPS

Ці дві частоти (названі несучими) через модулятори надходять на антену й передають на Землю інформацію. Інформація накладається на несучу частоту методом імпульсно-фазової модуляції. Модуляція сигналу — це зміна якого-небудь параметра електричного сигналу (при амплітудній модуляції змінюється амплітуда сигналу, при частотній модуляції змінюється частота сигналу). При імпульсно-фазовій модуляції фаза сигналу стрибком змінюється на 180° (рис. 14.5). На частотах L₁ й L₂ передаються навігаційні сигнали (коди), а також інша навігаційна й системна інформація.

У системі NAVSTAR GPS всі супутники випромінюють на двох однакових частотах L діапазону (L₁ й L₂), але кожен супутник випромінює свій особистий код (індивідуальна послідовність перемикання фази на 180°), по якому ведеться розпізнавання супутників. У російській системі ГЛОНАСС супутник випромінює на своїй частоті, а код загальний для всіх супутників. Російські супутники передають інформацію на двох частотах L₁ й L₂.

Рис. 14.5. Імпульсно-фазова модуляція:

а - сигнал до модуляції; 6 - сигнал після модуляції

Рис. 14.6. Розміщення станцій контролю й управління системи ГЛОНАСС-

ЦУС - центр керування системою ГЛОНАСС, ЦС - центральний синхронізатор, КС - контрольна станція, СКФ - система контролю фаз; КІС - квантово-оптична станція, АКП - апаратура контролю підлоги: КСС - контрольна станція спостереження

де k =0, 1, 2, 3... - номер супутника; f₀₁ = 1602 МГц; f₀₂ =1246 МГц; ∆ f₁ =0,4375 МГц; ∆ f₂=0,5625 МГц.

Відношення частот L₁ й L₂ дорівнює 9/7.

Наземний сегмент системи ГЛОНАСС складається з наступних взаємозалежних стаціонарних елементів: центр керування системою (ЦУС); контрольні станції (КС); командна станція спостереження (КСС); квантово-оптичні станції й інші станції спостереження за роботою бортових пристроїв супутників.

На рис. 14.6 показана схема розташування станцій наземного сегмента системи ГЛОНАСС. На рис. 14.7 показане розташування станцій контролю й керування системою NAVSTAR GPS. Всі станції системи NAVSTAR GPS розташовані уздовж екватора.

Станції спостереження приймають всі сигнали з минаючим над ними супутників, обчислюють відстані супутників, вимірюють місцеві метеорологічні параметри й визначають інформацію на головну станцію контролю.

На головній станції контролю обробляють всю вступник інформацію, обчислюють і прогнозують ефемериди супутників і виправлення в годинники супутників, формують навігаційні повідомлення супутника. Наземні антени передають на супутник навігаційне повідомлення,

• Станції спостереження

■ Головні станції спостереження

▲ Наземні антени

Рис. 14 7. Розташування станцій контролю й керування системою NAVSTAR GPS.

сформоване на головній станції спостереження. Наземні передавальні антени розташовані так, що кожен супутник щодня має принаймні три сеанси зв'язку із системою спостереження. Схема відновлення бортових ефемерид супутників наведена на рис. 14.8.

Рис. 14.8. Вимір, прогнозування й відновлення ефемерид супутника