Структура системы.

GPS состоит из трех сегментов (segments): из космического (space), то есть спутникового сегмента, из сегмента управления и контроля и из сегмента пользователя. Здесь и далее использован термин “сегмент”, хотя можно использовать и другой термин, например, “подсистема”. Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в данную эпоху спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя - это совокупность спутниковых приемников, находящихся в распоряжении пользователей. Пользователя системы в первую очередь интересует его собственный сегмент, то есть имеющиеся у него приемники, а также спутниковый сегмент, в значительной мере обеспечивающий достоверность результатов. Вместе с тем действия сегмента управления и контроля иногда оказывают критическое влияние на полученные пользователем результаты. Были случаи, когда результаты получались абсурдными: например, высота приемника, расположенного на равнине, оказывалась такой, как будто он находится в высокогорье, либо в глубочайшей впадине. Пользователь не может контролировать систему и воздействовать на нее, но он обязан выявлять сбои в ее работе и на этапе обработки отсекать соответствующие результаты. 2.1. Спутниковый сегмент.

Номинально в каждую эпоху имеется 24 работающих (здоровых - healthy) спутника системы. Спутники распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находится 4 спутника. Плоскости орбит разнесены по прямому восхождению на 60 градусов.

Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Именно таков угол наклона i на рисунке 2.1 для спутников GPS. Расстояние спутников от поверхности Земли составляет 20200 километров. При этом период обращения равен половине звездных суток. Наблюдателю это удобно. Если сегодня оказалось, что в такой-то интервал времени спутник занимал такое-то видимое с данного пункта положение, то завтра примерно в тот же интервал времени это повторится. Повторится и геометрия наблюдений, то есть PDOP. Следовательно, можно планировать наблюдения на несколько суток вперед с точностью до нескольких минут. Помешать этому может только резкая корректировка орбит спутников или переход какого-либо из них из состояния здорового в состояние больного (unhealthy) или наоборот.

Командование GPS меняет статус спутников: корректирует орбиты, переводит спутник из состояния здорового в состояние больного, отключает операционные спутники, включает резервные спутники. На орбитах находятся еще три резервных спутника, которые иногда включают. Часто имеется не 24, а 25 операционных спутника. В резерве всегда держат несколько готовых к запуску спутников. Подробнее о том, что представляет собой спутник GPS. написано в разделе 3.

2.2. Сегмент управления и контроля

Этот сегмент называют также операционной системой управления и контроля - Operational Control System (OCS). Основными задачами сегмента является слежение за спутниками для определения их орбит и поправок часов спутников относительно GPST, прогноз эфемерид спутников, временная синхронизация спутников, загрузка информационного сообщения на спутники. Существует также много других задач, таких, например, как обеспечение запусков новых спутников. Первоначально главная станция управления и контроля располагалась в Вандерберге, Калифорния. Затем ее перевели в объединенный центр космических исследований - Consolidated Space Operations Center - CSOC. Центр расположен на базе военно-воздушных сил США в Фальконе, Колорадо Спрингс, штат Колорадо. Центр собирает и обрабатывает данные со станций слежения за спутниками системы. Используя фильтр Калмана, вычисляют и предсказывают эфемериды спутников, а также параметры хода часов спутников. Затем эти данные передают на одну из трех наземных станций закладки информации, каждая из которых совмещена со станцией слежения за спутниками. Станции закладки информации по необходимости и при возможности закладывают информацию в память бортовых компьютеров спутников. Делают это примерно каждый час. На главной станции находятся цезиевые стандарты частоты и времени, хранящие GPST. В задачи главной станции входит также контроль работоспособности спутников и системы в целом. Имеется пять станций слежения за спутниками системы. Они расположены на Гавайях, в Колорадо Спрингс (США, совпадает с главной станцией системы), на острове Асунсьон в южной части Атлантического океана, на острове Диего Гарсия в Индийском океане и на острове Кваджалейн в северной части Тихого океана. Каждая из этих станций оборудована высокоточным цезиевым стандартом частоты и Р-кодовым приемником. Приемник непрерывно, каждые полторы секунды, измеряет псевдодальности до всех находящихся над горизонтом спутников. В псевдодальности вводят поправки за задержки сигнала в ионосфере и нейтральной атмосфере . Затем данные сглаживают на интервалах в пятнадцать минут и передают предварительно обработанную таким образом информацию на главную станцию управления и контроля. Эту сеть из пяти станций используют для создания широковещательных эфемерид и для определения параметров хода часов спутников. Именно эту информацию пользователь получает из спутникового сообщения. Более точную информацию, но с запаздыванием, получают из результатов наблюдений спутников на контрольных пунктах других сетей. Гораздо более глобальная и точная сеть - это Кооперативная международная сеть GPS - Cooperative International GPS Network (CIGNET), управляемая национальной геодезической службой (NGS) США. Координаты станций этой сети определены методом РСДБ. Полученные на этой сети эфемериды спутников называют точными. Они доступны, например, через INTERNET. Подчеркнем еще раз, что получить их можно только по прошествии некоторого времени после наблюдений. Следовательно, их используют, когда нужна наивысшая точность результатов, а задержка в их получении особой роли не играет. В сегмент управления и контроля входят три станции закладки информации, которые называют также наземными контрольными станциями. Они совмещены со станциями слежения на островах Асунсьон, Диего Гарсия и Кваджалейн. Каждая такая станция содержит аппаратуру связи со спутниками и антенну большого диаметра. Эти станции по спутниковым линиям связи получают с главной станции управления и контроля информацию об эфемеридах спутников и параметрах хода их часов. Эту информацию станции закладывают в память бортовых компьютеров спутников примерно каждый час. Для этого используют линию связи в диапазоне от 2,3 до 3,7 ГГц. Если по какой-либо причине закладка новых эфемерид приостановлена, то спутник транслирует старые эфемериды еще в течение 14 суток. Поскольку такие эфемериды являются результатом экстраполяции, то ошибка их постепенно увеличивается с 10 до 200 метров.

2.3. Сегмент пользователя.

Пользователь GPS - это человек или коллектив, имеющий в своем распоряжении всю необходимую для работы спутниковую аппаратуру. Следовательно, сегмент пользователя - это совокупность находящихся в работе спутниковых приемников и другой аппаратуры. Пользователи различаются на категории по нескольким признакам: гражданские и военные, навигаторы и геодезисты, имеющие полный допуск к системе и имеющие ограниченный допуск. Как правило, американские военные и представители американских спецслужб имеют полный доступ к системе. Таких пользователей называют авторизованными, допущенными, уполномоченными - authorized users. Остальные пользователи, как правило, гражданские, - это неавторизованные - unauthorized - пользователи. Аппаратура авторизованных пользователей позволяет получать и обрабатывать информацию такой точности, на которую только способна система. Аппаратура неавторизованных пользователей, не имея соответствующего чипа, способна получать только информацию с намеренно загрубленной точностью. Специалисты в области навигации как пользователи GPS заинтересованы в решении задач навигации. Эти задачи в значительной мере сводятся к определению координат транспортного средства и к определению скорости и направления его перемещения. Необходимая точность такого определения зависит от того, в какой ситуации находится транспортное средство. Судно в открытом океане не требует высокоточной навигации, вполне удовлетворительна ошибка местоположения в сто метров и даже в километр (в кабельтов или в милю). Резко возрастают точностные требования, до дециметрового уровня, при подходе к портам, при маневрах в узкостях (проливы, фьорды) и в потоке движения. На самом деле навигационные приемники определяют не только местоположение и вектор скорости. Приемник указывает требуемый и реальный курс на заданный объект, отклонение от маршрута, предписывает маневры, желательные для возвращения на курс. Вообще навигационный приемник многофункционален. Геодезический приемник также выполняет функции навигационного приемника. Другими словами, он работает не только в фазовом, но и в кодовом режиме. Однако навигационные функции геодезического приемника не столь обширны, сколь у чисто навигационного приемника. Предназначение геодезического приемника не в навигации, но он всегда поможет оператору выйти в нужный пункт. При геодезических измерениях одновременно работают несколько приемников. Как минимум - два. Определяют вектор базы, соединяющий пункты, на которых установлены антенны приемников. Определяют их на миллиметровом - сантиметровом уровне точности. Точность зависит от производителя аппаратуры, от методики наблюдений, от расстояния между пунктами.

Спутники.

Спутник GPS - это платформа, несущая комплекс оборудования, обеспечивающего энергопитание спутника, возможность корректировки орбиты и работоспособность. Питание обеспечивают солнечные батареи и аккумуляторы. Орбиту корректируют с помощью двигателей небольшой мощности.

Термин работоспособность означает способность выполнять функции, возложенные на спутник. Спутник имеет антенну и приемник для приема сигнала со станций закладки информации. Спутник имеет бортовой компьютер для запоминания информации, для ее трансляции и для координации работы спутника в целом. Ритм работы всей аппаратуры задают четыре цезиевых и (или) водородных стандарта частоты и времени. Частота колебаний стандартов равна 10,23 Мгц. Именно из этих колебаний путем умножения частоты, ее деления или преобразования гармонического колебания в кодовый сигнал получают все остальные сигналы спутника - несущие и модулирующие (кодирующие). Спутник имеет передатчик и антенну для передачи сигнала пользователю системы. На спутнике расположена также аппаратура стабилизации и ориентации, другая аппаратура.

Известны три класса спутников: Block I, Block II и Block IIR. Спутники Block I каждый весом в 845 килограммов запускали с 1978 по 1985 год с базы военно-воздушных сил в Калифорнии. Использовали ракету Atlas F. Заложенная в конструкцию продолжительность жизни спутника составляла 4,5 года. Некоторые спутники функционировали почти в три раза дольше. Угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора у спутников этого класса составлял 63 градуса. У запущенных позже спутников - 55 градусов. Спутники этого класса являлись в некотором смысле пробными, хотя полностью выполняли возложенные на них функции. Спутники следующей серии Block II были предназначены для создания операционного созвездия.

Первый спутник Block II, стоящий примерно 50 миллионов долларов и весящий более полутора тонн, был запущен 4 февраля 1989 года космическим центром имени Кеннеди с военно-воздушной базы Мыс Канавералл. штат Флорида, США. Использовали ракету-носитель Delta II. Конструкционная продолжительность жизни спутника этого класса составляла 6 лет, хотя некоторые спутники могли функционировать и 10 лет, поскольку на это время хватало запаса расходуемых материалов, в основном топлива. Различие между Block I и Block II связано с национальной безопасностью США. Сигнал спутника Block I был полностью доступен гражданскому пользователю, тогда как некоторые сигналы Block II ограничивают эту доступность.

Спутники класса Block IIR, практически полностью заменившие в настоящее время ранее запущенные, имеют конструкционную продолжительность жизни в 10 лет. Буква “R” означает модификацию или замену. На борту имеются водородные мазеры взамен рубидиевых и цезиевых стандартов частоты, установленных на спутниках предшествующих классов. Каждый спутник весит более двух тонн, стоит около 25 миллионов долларов. Запускают эти спутники с помощью Шаттла. Режим работы таков, что гражданский пользователь имеет к сигналу спутника еще меньший доступ. Более подробно о режиме ограничения доступа сказано в разделах 3.1 и 3.3.