Введение в ГНСС. Глава 3 - Спутниковые системы.

Глава 3 - Спутниковые системы

“Динозавры вымерли, потому что у них не было космической программы”. Ларри Нивен, американский писатель-фантаст.

Ларри Нивен предполагает, что если бы у динозавров была космическая программа, они могли бы перехватить и отклонить астероид, который, как некоторые думают, мог упасть на Землю и привести к исчезновению динозавров.

В отличие от динозавров, в некоторых странах сейчас существуют или планируются космические программы, которые включают создание национальных или региональных Глобальных Навигационных Спутниковых Систем. В этой главе мы вкратце рассмотрим эти системы.

На момент написания данной книги (2015 год, прим.) действуют следующие системы ГНСС:

• GPS (США)

• ГЛОНАСС (Россия)

• BeiDou (Китай)

На момент написания находятся в стадии готовности:

• Galileo - глобальная навигационная система (Европейский Союз)

• IRNSS - региональная навигационная спутниковая система (Индия)

• QZSS - региональная навигационная спутниковая система (Япония)

GPS

GPS (Глобальная система позиционирования, США)

GPS была первой системой ГНСС. Спутники GPS (или NAVSTAR, как его официально называют) впервые были запущены в конце 70-х годов прошлого столетия по заданию министерства обороны США. С того времени было запущено несколько групп спутников (называемых «Блоками»), состоящих из спутников одного поколения.

Первоначально GPS был доступен для использования только в военных целях, но в 1983 году было принято решение разрешить и гражданское использование системы. Спутник GPS изображен на рис. 27.

Космический сегмент

Космический сегмент GPS представлен в таблице 2. Период обращения каждого спутника составляет около12 часов, что обеспечивает приемнику GPS видимость как минимум шести спутников в поле зрения в любой точки Земли в условиях открытого неба.

 Таблица 2: Созвездие спутников GPS

Орбита спутника GPS показана на рис. 28.

Спутники GPS постоянно передают свой идентификатор, измерительные сигналы, статус и скорректированные эфемериды (параметры орбиты). Спутники идентифицируются либо по номеру космического аппарата (SVN), либо по коду псевдослучайного шумового сигнала (PRN).

Сигналы GPS

Таблица 3 содержит дополнительную информацию о сигналах GPS. Сигналы GPS основаны на технологии CDMA (множественный доступ с кодовым разделением каналов), которую мы обсуждали ранее в главе 2.

Таблица 3: Параметры сигналов GPS

Сегмент управления

Сегмент управления GPS состоит из главной станции управления, резервной станции управления и станций мониторинга, наземных антенн и станций удаленного мониторинга, как показано на рис. 29.

Сегмент управления GPS

По всему миру расположены 16 станций мониторинга; шесть относятся к ВВС США и десять к NGA (Национальное агентство геопространственной разведки, также входящее в состав министерства обороны США).

Станции мониторинга отслеживают широковещательные сигналы спутников, содержащие эфемериды, измерительные сигналы, данные часов и данные альманаха. Эти сигналы передаются на главную контрольную станцию, где пересчитываются эфемериды.

Полученные эфемериды и временные поправки в бортовые часы передаются обратно на спутники через станции загрузки данных. Наземные антенны совмещены с контрольными станциями и используются главной станцией управления для связи и управления спутниками GPS.

Станции удаленного слежения сети космического управления ВВС (AFSCN) предоставляют главному диспетчерскому пункту дополнительную спутниковую информацию для улучшения телеметрии, отслеживания и контроля.

Развитие GPS

Система GPS достигла полной функциональности в 1995 году. В 2000 году был начат проект по расширению космического и наземного сегментов GPS для использования преимуществ новых технологий и требований пользователей.

Развитие космического сегмента включает использование новых видов сигналов, а также повышение точности атомных часов, мощности и надежности спутникового радиосигнала. Модернизация контрольного сегмента включает улучшенное моделирование ионосферы и тропосферы и повышение точности определения параметров орбит, а также развертывание дополнительных станций мониторинга. 

Пользовательское оборудование также претерпело изменения, чтобы использовать преимущество улучшенных космического и наземного сегментов.

L2C

Модернизированные спутники GPS (Block IIR-M и более поздние версии) передают новый гражданский сигнал, обозначенный L2C, что обеспечивает доступность двух гражданских кодов. Сигнал L2C легче отслеживать, и он обеспечивает повышенную навигационную точность. Также существует возможность прямого измерения и устранения ошибки ионосферной задержки для конкретного спутника, используя гражданские сигналы на частотах L1 и L2.

L5

США внедрили третью гражданскую частоту GPS (L5) 1176,45 МГц. Модернизированные спутники GPS (Block II-F и более поздние) передают сигналы L5. Сигнал L5 соответствует требованиям для решения критически важных задач, связанных с обеспечением безопасности человеческой жизни, для гражданской авиации, и обладает преимуществами за счет следующих возможностей:

• улучшенной ионосферной коррекции

• резервирования сигнала

• повышенной точности сигнала

• улучшенного подавления помех

L1C

Четвертый гражданский сигнал GPS, L1C, планируется для следующего поколения спутников GPS, Block III. L1C будет обратно совместим с сигналом L1 и обеспечит большую совместимость с системой ГНСС Galileo в области гражданского применения. Японская QZSS, индийская IRNSS и китайская BeiDou также планируют передавать L1C, что сделает его будущим стандартом для международной совместимости.

В L1C применена новая схема модуляции, которая обеспечивает улучшенный прием сигнала GPS в городах и других сложных условиях. Ожидается, что к 2026 году будут выведены на орбиту 24 спутника, транслирующих L1C.

Другие

В дополнение к новым сигналам L1C, L2C и L5, модернизация спутников GPS включает и поддержку новых сигналов для военного использования.

ГЛОНАСС

ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система, Россия) 

ГЛОНАСС была разработана в Советском Союзе в качестве экспериментальной системы военной связи в 1970-х годах. Когда закончилась "холодная война", в Советском Союзе было принято решение о возможности коммерческого применения системы ГЛОНАСС для передачи погодных данных, для целей связи, навигации и разведки.

Первый спутник ГЛОНАСС был запущен в 1982 году, а полностью система была объявлена работоспособной в 1993 году. В дальнейшем были периоды, когда характеристики системы ГЛОНАСС ухудшались, но Россия взяла на себя обязательство довести систему до требуемого минимума в 18 активных спутников. В настоящее время полностью развернута группировка из 24 спутников ГЛОНАСС.

Спутники ГЛОНАСС развивались уже с момента запуска первого поколения. На момент написания данной книги спутник ГЛОНАСС-М последнего поколения, приведенный на рис. 30, подготовлен к запуску.

Структура системы ГЛОНАСС

Созвездие спутников ГЛОНАСС обеспечивает видимость различного их числа в зависимости от вашего местоположения. Наличие минимум четырех спутников в поле зрения позволяет приемнику ГЛОНАСС вычислять свое положение в трех измерениях и синхронизировать с системным временем.

Космический сегмент ГЛОНАСС

Космический сегмент ГЛОНАСС представлен в таблице 4.

Таблица 4: Спутниковая группировка ГЛОНАСС

Космический сегмент ГЛОНАСС состоит из 24 спутников расположенных на трех орбитальных плоскостях, по восемь спутников в каждой плоскости.

Геометрия созвездия ГЛОНАСС повторяется примерно раз в восемь дней. Период обращения каждого спутника составляет примерно 8/17 звездных суток, так что за восемь звездных суток спутники ГЛОНАСС совершают ровно 17 оборотов вокруг Земли.

Каждая орбитальная плоскость содержит восемь равноотстоящих спутников. Один из спутников будет находиться в одной и той же точке неба каждый день в одно и то же звездное время.

Спутники выводятся на условно круговые орбиты с наклонением 64,8 градуса и радиусом орбиты 19 140 км, что примерно на 1060 км меньше, чем орбиты спутников GPS.

Спутниковый сигнал ГЛОНАСС идентифицирует спутник и транслирует:

 • Информацию о местоположении, скорости и ускорении для расчета положения спутников.

• Информацию о состоянии спутника.

• Смещение времени ГЛОНАСС относительно UTC (SU) [Всемирное координированное время России].

• Альманах для всех остальных спутников ГЛОНАСС.

«Земля была абсолютно круглой... Я никогда не знал, что означает слово «круглая», пока не увидел Землю из космоса». Алексей Леонов, советский космонавт, рассказывает о своем историческом выходе в открытый космос в 1985 году.

Сегмент управления

Сегмент управления ГЛОНАСС состоит из центра управления системой и сети командных пунктов слежения, размещенных на всей территории России. Сегмент управления ГЛОНАСС, аналогично управляющему сегменту GPS, контролирует состояние спутников, определяет поправки в эфемериды, а также вычисляет смещения спутниковых часов относительно времени ГЛОНАСС и UTC (всемирное координированное время). Он также дважды в день загружает поправки на борт спутников.

Сигналы ГЛОНАСС

В таблице 5 представлены сигналы ГЛОНАСС.

Таблица 5: Характеристики сигнала ГЛОНАСС

Каждый спутник ГЛОНАСС передает сигналы на разных частотах в пределах диапазонов L1 и L2. Сигнал, содержащий P-код (код HP) передается как на частоте L1, так и на частоте L2, а код C/A (код SP) транслируется всеми спутниками на частоте L1 и большинством спутников на частоте L2.

Спутники ГЛОНАСС передают один и тот же код на разных частотах, используется метод, известный как FDMA, для обеспечения множественного доступа с частотным разделением каналов. Обратите внимание, что этот метод отличается от того, который используется в GPS.

Сигналы ГЛОНАСС имеют ту же поляризацию (ориентацию электромагнитных волн), что и сигналы GPS, и имеют сопоставимую мощность сигнала.

Система ГЛОНАСС основана на 24 спутниках, использующих 12 частот. Противостоящие относительно земли спутники могут совместно использовать общие частоты. Спутники-антиподы находятся в одной орбитальной плоскости, но разнесены на 180 градусов. Спаренные спутники могут передавать на одной и той же частоте, потому что они никогда не появятся одновременно в поле зрения приемника на поверхности Земли, как показано на рис. 32.

Развитие ГЛОНАСС

По истечению срока службы нынешних спутников ГЛОНАСС-М, они будут заменены спутниками ГЛОНАСС-К следующего поколения. Новые спутники обеспечат систему ГЛОНАСС возможностью передачи новых сигналов ГНСС.

L3

Первый блок спутников ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-К1) будет транслировать новый гражданский сигнал, обозначенный L3, с центральной частотой 1202,025 МГц. В отличие от существующих сигналов ГЛОНАСС, L3 основан на CDMA, что облегчит взаимодействие с системами GPS и Galileo. Первый спутник ГЛОНАСС-К1 был запущен в феврале 2011 года.

L1 и L2 CDMA

Второй блок спутников ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-К2) добавляет еще два сигнала стандарта CDMA, транслируемых на частотах L1 и L2. Устаревшие сигналы FDMA также будут транслироваться на частотах L1 и L2 для поддержки уже используемых приемников.

L5

Третий блок спутников ГЛОНАСС-К (ГЛОНАСС-КМ) добавит поддержку сигнала L5 в систему ГЛОНАСС.

BeiDou

Навигационная спутниковая система BeiDou (Китай)

Китай начал внедрение системы UYCC, известной как навигационная спутниковая система BeiDou (BDS). Система реализуется в два этапа: на первом этапе обеспечивается региональное покрытие, а на втором этапе - глобальное.

Первоначальный этап системы BeiDou официально начал функционировать в декабре 2012 года, обеспечивая покрытие Азиатско-Тихоокеанского региона.

Региональный космический сегмент BeiDou включает пять спутников, расположенных на геостационарной околоземной орбите (GEO), пять спутников лежащих на наклонной геостационарной орбите (IGSO) и четыре спутника находящихся на средней околоземной орбите (MEO) (см. Таблицу 6).

Таблица 6: Региональная группировка BeiDou

Второй этап системы BeiDou планируется завершить к концу 2020 года, и он обеспечит глобальный охват с расширенным региональным охватом. Космический сегмент будет состоять из созвездия, с входящими в него 5 спутниками на геостационарной орбите (GEO), 3 спутниками на наклонной орбите (IGSO) и 27 спутников на средней околоземной орбите (MEO), как показано в Таблице 7.

Таблица 7: Глобальная группировка BeiDou

Сигналы BeiDou

Сигналы BeiDou, основанные на технологии CDMA, приведены в Таблице 8.

Определены три уровня обслуживания:

• Открытый доступ для гражданского использования и бесплатный для пользователей системы. Этот сервис обеспечивает точность определения местоположения до 10 метров, для скорости точность в пределах 0,2 метра в секунду и точность синхронизации времени до 10 наносекунд.

• Лицензионный доступ только для пользователей, оформивших подписку. Лицензированный сервис повышает точность позиционирования до 2 метров. Сервис также обеспечивает двухсторонний обмен короткими сообщениями (120 китайских символов) и предоставляет информацию о состоянии системы.

• Закрытый доступ для военного применения. Сервис более точный, чем открытый, также предоставляет информацию о состоянии системы и обеспечивает возможность военной связи.

Таблица 8: Характеристики сигналов BeiDou

Galileo

«Следует измерять то, что измеримо, и делать измеримым то, что таковым не является». Галилео Галилей, итальянский физик, математик, астроном и философ.

В мае 1999 года альпинистская экспедиция доставила GPS-приемник на вершину Эвереста, что позволило точно измерить ее высоту, которая составила 8850 м (29 035 футов). Мы думаем, что Галилей был бы счастлив.

Глобальная навигационная спутниковая система Galileo, разрабатываемая в Европе, будет высокоточной и гарантированной службой глобального позиционирования под гражданским контролем. Соединенные Штаты и Европейский Союз сотрудничают с 2004 года, для обеспечения совместимости и взаимодействие GPS и Galileo на пользовательском уровне.

Предлагая в качестве стандарта двухчастотный режим, Galileo обеспечивает точность позиционирования в реальном времени до метрового диапазона, что было ранее недостижимо для общедоступных систем.

Система Galileo гарантирует доступность при любых обстоятельствах, кроме самых экстремальных, и в считанные секунды проинформирует пользователей о выходе из строя любого спутника. Это делает ее пригодной для применений в областях, где безопасность имеет решающее значение, например, в воздушном и наземном транспорте.

Первый экспериментальный спутник Galileo, входящий в состав испытательного стенда системы Galileo (GSTB), был запущен в декабре 2005 года. Задача этого экспериментального запуска состояла в том, чтобы обозначить критически важные технологии Galileo, которые уже находились в разработке по контрактам Европейского Космического Агентства (ESA). Были запущены четыре действующих спутника, два в октябре 2011 года и два в октябре 2012 года, для проверки базового космического и наземного сегментов Galileo. В ближайшие годы будут запущены оставшиеся спутники, которые, вероятно, сделают систему полностью функциональной после 2020 года.

Структура Galileo

Космический сегмент Galileo кратко представлен в Таблице 9. Когда группировка будет развернута, навигационные сигналы Galileo обеспечат покрытие на всех широтах. Большое количество спутников вместе с оптимизацией группировки и доступностью трех рабочих резервных спутников гарантирует, что потеря одного спутника не окажет заметного воздействия на пользовательский сегмент.

Два центра управления Galileo (GCC), расположенные в Европе, полностью контролируют спутники Galileo. Данные, обработанные глобальной сетью из тридцати сенсорных станций Galileo (GSS), будут отправлены в центры через резервную сеть связи. Центры управления будут использовать данные от этих станций для получения информации о целостности системы и синхронизации спутникового времени с часами наземных станций. Центры управления будут связываться со спутниками через станции космической связи, которые будут установлены по всему миру.

ГНСС Galileo обеспечит глобальную функцию поиска и спасения (SAR) на основе оперативной спутниковой системы поиска и спасения “Cospas-Sarsat 2”. Для этого каждый спутник системы Galileo будет оснащен транспондером, имеющим возможность передавать сигналы бедствия в Координационный центр спасения (RCC) для развертывания операции по спасению.

В то же время система подаст сигнал пользователю, информируя его о том, что внештатная ситуация была обнаружена и что помощь уже осуществляется. Эта последняя функция является новой и считается важным обновлением по сравнению с существующими системами, которые не обеспечивают обратной связи с пользователем.

Таблица 9: Спутниковая группировка Galileo

Сигналы Galileo

В таблице 10 представлена дополнительная информация о сигналах Galileo.

Таблица 10: Характеристики сигналов Galileo

Сервисы ГНСС Galileo

ГНСС Galileo предоставляет пять сервисов, приведенных в таблице 11.

Таблица 11: Сервисы, предоставляемые Galileo

Другие спутниковые навигационные системы

IRNSS (Индийская региональная навигационная спутниковая система, Индия)

Индия находится в процессе запуска своей собственной региональной навигационной спутниковой системы для покрытия территории Индии и прилегающих регионов. Система IRNSS будет состоять из семи спутников, три из них на геостационарных орбитах и четыре на наклонных геостационарных орбитах. Система обеспечит точность определения местоположения до 10 метров на всей территории Индии и до 20 метров для территорий, отстоящих от нее до 1500 км.

IRNSS предоставит две сервисных службы. Стандартное определение местоположения (SPS), доступное для всех пользователей, и ограниченное (RS), доступное только авторизованным пользователям.

В таблице 12 приведены сигналы IRNSS. Первый спутник IRNSS был запущен в июле 2013 года, второй в апреле 2014 года. Полная группировка из семи спутников развернута в 2015 году.

Таблица 12: Характеристики сигнала IRNSS

QZSS (Квазизенитная Спутниковая Система, Япония)

QZSS - это система, состоящая из четырех спутников, которая предоставляет региональные услуги связи и информацию о местоположении для мобильной среды. Один из четырех спутников был запущен в 2010 году. Эта система ориентирована на регион Японии, но она будет обслуживать регион Азии и Океании.

Спутниковая система QZSS обеспечивает ограниченную точность в автономном режиме, поэтому она рассматривается как дополнение к GPS. Спутники QZSS используют те же частоты, что и GPS, и имеют часы, синхронизированные со временем GPS. Это позволяет использовать спутники QZSS, как если бы они были дополнительными спутниками GPS. Спутники QZSS также передают сигнал, совместимый с SBAS, и сигнал высокой точности на частоте E6.

Три спутника QZSS размещены на периодической квазизенитной орбите (QSO). Эти орбиты позволят спутникам «пребывать» над территорией Японии более 12 часов в сутки на высоте более 70° (то есть большую часть времени они находятся практически в зените).

Общая сводка сигналов ГНСС

Чем больше становится доступным созвездий и сигналов ГНСС, тем сложнее становится спектр ГНСС. На рис. 36 показаны сигналы для четырех глобальных систем ГНСС (состояние на 2015 год, прим.).

Заключительные замечания

Теперь, когда вы знаете больше о Глобальных Навигационных Спутниковых Системах, мы обсудим передовые концепции ГНСС в следующих главах.

«Лишь настойчивостью улитка достигла ковчега». Чарльз Хэддон Сперджен, английский проповедник.

Материалы взяты с сайта компании NovAtel. Ссылка на первоисточник: https://novatel.com/an-introduction-to-gnss