Дмитрий Хрусталев

GPS — взгляд изнутри

Эта статья начинает цикл публикаций, посвященных спутниковой навигации. В материалах цикла будут рассмотрены история создания систем спутниковой навигации, принципы их работы, необходимость и важность их практического использования в различных областях жизнедеятельности, состав элементной базы и принципы построения приемников GPS и ГЛОНАСС, а также их интерфейс с другими устройствами.

История создания и развития систем спутниковой навигации и позиционирования

    Идеи использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов в США, как свидетельствует профессор Стэнфордского университета Б. Паркинсон, в прошлом руководитель программы Navstar ВВС США, начали развиваться после запуска в СССР в 1957 г. первого искусственного спутника Земли (ИСЗ). Тогда же перед лабораторией прикладной физики университета Джона Хопкинса была поставлена задача слежения за советским ИСЗ посредством приема его сигнала на наземном пункте с известными координатами, выделения доплеровского сдвига несущей частоты передатчика ИСЗ и дальнейшего расчета параметров движения спутника. Обратная задача расчета координат приемника на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ представлялась очевидной и естественной.

В 1960 г. были разработаны атомные часы. Благодаря этому стало возможным использовать для целей навигации сеть точно синхронизированных передатчиков, передающих кодированные сигналы. Измерение приемником соответствующих временных задержек позволяло рассчитать координаты приемника.

В интересах навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет Polaris в 1964 г. была создана спутниковая радионавигационная система первого поколения Transit. Для коммерческого использования эта система была предоставлена в 1967 г. Ее достоинства и открывающиеся перед пользователями возможности были быстро оценены, и число гражданских потребителей вскоре существенно превысило число военных. Координаты потребителя рассчитывались на основе приема и выделения доплеровского сдвига частоты передатчика одного из 6–7 космических аппаратов (КА). Система позволяла получить достаточно высокую точность определения координат лишь для медленно движущихся и стационарных объектов.

Кроме того, в 1964 г. ВВС США начали программу разработки и испытаний возможностей использования для целей местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми (PRN) кодами. Свойство корреляционного разделения таких сигналов обусловило возможность использования несколькими передатчиками одной несущей частоты. В 1973 г. программы ВВС и ВМС США были объединены в общую Навигационную технологическую программу, позднее превратившуюся в программу Navstar-GPS. Спутники системы Navstar стали оборудовать стандартами частоты с наибольшей достижимой степенью точности — сначала кварцевым и рубидиевым, затем цезиевым и водородным стандартами. В ходе экспериментов были подобраны оптимальные высоты орбит спутников. В результате высота увеличилась с 925 до 13 тыс. км, а затем — до 20 тыс. км. Изменилась также несущая частота передатчиков: с 400 МГц до 1227 МГц и 1575 МГц. К 1995 г. система была полностью развернута.

В настоящее время она насчитывает 24 рабочих спутника и 4 спутника в резерве, расположенных на шести круговых орбитах высотой примерно 20 тыс. км, наклонением 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. За то время, которое ушло на развертывание системы, примерно 60 фирм создали более 400 типов приемной аппаратуры различного назначения для применения как в военной, так и в гражданской областях. По прогнозам, общий мировой рынок продаж продуктов GPS к 2002 г. составит $16 млрд.

Ну, а что же мы? Развитие отечественной спутниковой радионавигационной системы также началось с запуска в Советском Союзе 4 октября 1957 г. первого ИСЗ в связи с необходимостью слежения за ним. Первое же научно-обоснованное предложение об использовании ИСЗ для навигации было сформулировано в период проведения в Ленинградской военно-воздушной инженерной академии (ЛВВИА) им. А. Ф. Можайского с 1955 по 1957 гг. исследований возможностей радиоастрономических методов для самолетовождения. Научные основы спутниковой навигации были существенно развиты в процессе выполнения исследований по теме «Спутник» (1958–1959 гг.), которые осуществляли ЛВВИА им. А. Ф. Можайского, Институт теоретической астрономии АН СССР, Институт электромеханики АН СССР, два морских НИИ и Горьковский НИРФИ. Работы проводились с участием крупных специалистов по аналитической механике и расчетам орбит. Основное внимание при этом уделялось вопросам повышения точности навигационных определений, обеспечения глобальности, круглосуточного применения и независимости от погодных условий.

Проведенные работы позволили перейти в 1963 г. к ОКР над первой отечественной низкоорбитальной системой, получившей название «Цикада». В 1992 г. генеральный конструктор космических систем навигации и связи академик М. Ф. Решетнев писал о решении этой задачи: «Полномасштабные работы по созданию отечественной навигационной спутниковой системы были развернуты в середине 60-х годов, а 27 ноября 1967 г. на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192».

Одной из глобальных проблем создания спутниковой системы, обеспечивающей беззапросные навигационные определения одновременно по нескольким спутникам, является проблема взаимной синхронизации спутниковых шкал времени с точностью до нано- секунд, поскольку рассинхронизация излучаемых спутниками навигационных сигналов ведет к увеличению погрешности определения местоположения объекта.

Решение задачи высокоточной синхронизации бортовых шкал времени потребовало установки на спутниках высокостабильных бортовых цезиевых стандартов частоты и наземного водородного стандарта, а также создания наземных средств сличения шкал с погрешностью 3…5 нc. Второй проблемой создания высокоорбитальной навигационной системы является высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит навигационных спутников.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, получившей название ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система), были начаты в октябре 1982 г. запуском спутника «Космос-1413», а в 1995 г. было завершено ее развертывание до штатного состава. Были выведены на заданные орбиты 24 космических аппарата (КА), разработаны комплексы самолетной, наземной и морской аппаратуры.

Основным заказчиком и ответственным за испытания и управление системой являлись Военно-космические силы (ВКС) РФ, а затем РВСН, в состав которых позднее вошли ВКС.

Примечательно, что поначалу ГЛОНАСС использовалась в основном только для военных нужд, но в настоящее время она является открытой системой для пользователей. Она имеет свои преимущества перед американской системой GPS. А вот практическое использование комбинированных приемников ГЛОНАСС/GPS обеспечивает максимальную эффективность.

Принцип работы системы GPS

В основе работы системы GPS лежит:

• спутниковая трилатерация (на ней базируется работа системы);
• спутниковая дальнометрия (измерение расстояний до спутников);
• точная временная привязка (высокоточная синхронизация отсчета времени в системе спутники-приемники);
• точное положение спутников в космосе;
• коррекция ошибок, вносимых задержкой радиосигнала спутника в ионосфере и тропосфере.

Спутниковая трилатерация предполагает, что точные координаты любой точки на поверхности Земли могут быть вычислены путем измерений расстояний от группы спутников, если их положение в космосе известно.

В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно, и вокруг него можно описать сферу заданного радиуса. Если известно также расстояние до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер. Третий спутник определяет две точки на окружности. Четвертый спутник позволяет окончательно точно определить местоположение точки. Таким образом, зная расстояние до четырех спутников, можно вычислить координаты определяемой точки (рис. 1).

Рис. 1.

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приемника, умноженным на скорость света. Для того чтобы определить время распространения сигнала, нам необходимо знать, когда он был передан со спутника. Для этого на спутнике и в приемнике одновременно генерируется одинаковый псевдослучайный код. Каждый спутник системы GPS передает два радиосигнала: на частоте L1=1575,42 МГц и L2=1227,60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A-код. «Точный», или P-код, может быть зашифрован для военных целей. «Грубый», или C/A-код, не зашифрован. Сигнал частоты L2 модулируется только с P-кодом.

Большинство гражданских пользователей при работе с GPS-системами используют C/A-код. Некоторые приемники Trimble, применяемые в геодезии, работают с P-кодом. Приемник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет, когда он сам генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света, и дает искомое расстояние. Использование кода позволяет приемнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему PRN.

Как видно из вышесказанного, вычисления напрямую зависят от точности хода часов на спутниках и в приемниках. Код должен генерироваться на спутнике и в приемнике строго в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Однако это решение является слишком дорогим, чтобы использовать его в приемниках GPS. Поэтому для устранения ошибок хода часов приемника используются результаты измерения сигналов от четвертого спутника. Их можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приемнике не синхронизированы. Рисунок 2 наглядно это показывает.

Рис. 2.

24 рабочих спутника системы Navstar расположены на высоте примерно 20 200 км от поверхности Земли с орбитальным периодом в 12 часов. В шести различных плоскостях, имеющих наклон к экватору в 55°, расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния атмосферы.

Некоторые источники ошибок, возникающих при работе GPS, являются трудноустранимыми. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако на практике все обстоит гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу и тропосферу, скорость его распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерении дальности. В современных GPS-приемниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек. Иногда возникают ошибки хода атомных часов и отклонения орбит спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются станциями слежения. Многолучевая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов, расположенных на земной поверхности, что создает заметную интерференцию с сигналами, приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Продолжение следует

Дмитрий Хрусталев