Спутниковые системы местоопределения

Страница 4

6. Система Глобального Позиционирования (GPS)

Global Positioning System (GPS) - спутниковая система определения местонахождения подвижных объектов.

Система GPS создана министерством обороны США и позволяет с точностью до 20 м определять в любой точке земного шара место нахождения неподвижного либо движущегося объекта на земле, в воздухе и на море в трех измерениях с очень высокой точностью. Более того, GPS сообщает скорость передвижения объекта. Эта система позволяет оснастить речные и морские суда, автомобили, самолеты электронными картами, на которых показывается место нахождения объекта и кратчайший (либо наиболее удобный) путь к пункту назначения. GPS используется также для составления географических карт и в задачах геодезии. Система широко используется и гражданскими абонентами.

Система создана в спутниковой сети, образованной спутниками связи, вращающимися вокруг земли по высоким орбитам. В 1995 г. сеть имела 24 спутника. Для вхождения в GPS каждый абонент должен иметь небольшое устройство. Последнее в бытовом варианте имеет размер, равный портсигару, что позволяет носить его в кармане костюма. Устройство с высокой точностью показывает три координаты объекта, находящегося в любой точке планеты. Одним из важнейших компонентов устройства являются атомные часы, способные измерять время с точностью до наносекунды. Сигналы устройства синхронизируются с приемо-передатчиками спутников связи.

5.1 GPS в деталях

Кроме высокой точности измерения координат своего местоположения и скорости различных подвижных объектов, а также определения времени, важными ее достоинствами являются непрерывность выдачи информации, всепогодность и скрытность.

Сигналы, несущие навигационную информацию, излучаются на двух частотах: 1575,45 МГц (L1) и 1227,6 Мгц (L2). На второй частоте излучаются только сигналы с военным кодом P(Y), несущим высокоточную информацию (P — Precision, точный) и защищенным криптографическим методом от имитационных помех, о чем свидетельствует индекс Y. На первой частоте передаются сигналы как с кодом P(Y), так и общедоступным кодом C/A. Сигналы обоих кодов представляют собой псевдошумовую последовательность импульсов, с помощью которой осуществляется фазовая манипуляция несущей частоты. Военный код P(Y) имеет продолжительность 267 суток, а код С/А — 1 мс. Прием сигналов с кодом P(Y) дает возможность работы в режиме высокой точности измерений (PPS), а сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении сигналов через ионосферу из-за нелинейности (увеличении пути) распространения в ней радиоволн. Прием сигналов с кодом С/А только на одной частоте не дает возможности вычислять ошибки, вносимые при прохождении радиоволн через ионосферу. Кроме того, сама структура кода обеспечивает значительно худшие характеристики в режиме стандартной точности измерений (SPS). За счет преднамеренного ухудшения точности путем ввода ошибок при формировании навигационных параметров (режим избирательного доступа — SA) погрешность измерений в режиме SPS может быть доведена до 300 м и более.

Кроме кодов С/А и Р навигационные спутники регулярно передают специальные сообщения, которые содержат дополнительные сведения: о состоянии спутников и их параметрах — системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиты спутников), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и L2. Для передачи полного сообщения обо всех спутниках требуется 12,5 минуты.

7. Сравнение GPS и ГЛОНАСС

Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо видно из таблицы А). Они разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS — на средних.

Таблица A. Основные характеристики навигационных систем ГЛОНАСС и GPS

Характеристки	ГЛОНАСС	GPS
Количество спутников (проектное)	24	24
Количество орбитальных плоскостей	3	6
Количество спутников в каждой плоскости	8	4
Тип орбиты	Круговая (S=0+-0,01)	Круговая
Высота орбиты	19100 км	20200 км
Наклонение орбиты, град	64,8+-0,3	55 (63)
Период обращения	11 ч 15,7 мин.	11 ч 56,9 мин.
Способ разделения сигналов	Частотный	Кодовый
Навигационные частоты, МГц: L1 L2	1602,56 — 1615,5 1246,44 — 1256,5	1575,42 1227,6
Период повторения ПСП	1 мс	1 мс (С/А-код) 7 дней (Р-код)
Тактовая частота ПСП, МГц	0,511	1,023 (С/А-код) 10,23 (Р,Y-код)
Скорость передачи цифровой информации, бит/с	50	50
Длительность суперкадра, мин	2,5	12,5
Число кадров в суперкадре	5	25
Число строк в кадре	15	5
Погрешность* определения координат в режиме ограниченного доступа: горизонтальных, м вертикальных, м	не указана	18 (P,Y-код) 28 (P,Y-код)
Погрешности* определения проекций линейной скорости, см/с	15 (СТ-код)	<200 (С/А-код) 20 (P,Y-код)
Погрешность* определения времени в режиме свободного доступа, нс в режиме ограниченного доступа, нс	1000 (СТ-код) —	340 (С/А-код) 180 (P,Y-код)
Система отсчета пространственных координат	ПЗ-90	WGS-84
* Погрешности в определении координат, скорости и времени для системы ГЛОНАСС — 0,997, для GPS — 0,95.

Недостатками ГЛОНАСС являются:

необходимость сдвига диапазона частот вправо, так как в настоящее время ГЛОНАСС мешает работе как подвижной спутниковой связи, так и радиоастрономии;