2.3. Система спутникового позиционирования

Техника навигационных определений по сигналам искусственных спутников Земли (ИСЗ) стала отрабатываться, начиная с 1957 г. Спутниковые радионавигационные системы 1-го поколения появились в начале 60-х годов. В США с 1964 г. действует космическая навигационная система (КНС) «Транзит», разработанная для военно-морского флота. В КНС «Транзит» на орбитах высотой 1000 км обращаются 6 ИСЗ, узлы орбит равномерно распределены по экватору [11].

КНС второго поколения обеспечивают высокоточное определение местоположения и скорости движения. В состав системы входят: созвездие ИСЗ (космический сегмент); сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления); собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Например, космический сегмент «Навстар» (NAVSTAR) (США) состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит наклонены на угол около 55° к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60° по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения составляет половину звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). Этим достигается то, что сигнал хотя бы от некоторых спутников может приниматься повсеместно в любое время.

Сегмент управления «Навстар» cодержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн и Колорадо-Спрингс и три станции закладки: острова Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн. Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников. Собираемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах и периодически передается на спутники для корректировки орбит и обновления навигационного сообщения.

Каждый спутник весит более 900 кг и имеет размер около 5 м (с раскрытыми солнечными батареями). Мощность радиопередатчика составляет 50 ватт. Каждый спутник передает сигналы на 3-х частотах. Гражданские GPS-приемники используют частоту "L1", равную 1575.42 МГц. На борту каждого спутника установлены часы, обеспечивающие точность 10-9 сек. Каждый спутник рассчитан на работу примерно в течение 10 лет. Новые спутники изготавливаются и запускаются на орбиту по мере необходимости.

Каждую миллисекунду спутник излучает сигнал, содержащий так называемый "псевдослучайный код" (PRN - pseudo-random code), эфимерис (ephimeris) и альманах (almanach). Псевдослучайный код служит для идентификации передающего спутника. Данные эфимериса, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат такую важную информацию, как состояние спутника (рабочее или нерабочее), текущая дата и время. Данные альманаха содержат параметры своей орбиты, а также всех других спутников системы.

В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется. Все приборы GPS работают в системе Гринвичского времени (всемирное время -UTC). Внутренние часы GPS-приемников постоянно синхронизируются с прецизионными атомными часами, установленными на спутниках. Это позволяет обеспечить точность измерения времени от микро- до наносекунд.

Имея сигналы от минимум трех спутников, GPS-приемник может определить широту и долготу своего расположения на местности - это называется двумерной фиксацией. Если же спутников четыре или более, то GPS-приемник может определить положение в 3-х мерном пространстве, т.е. указать широту, долготу и высоту. Постоянно отслеживая местоположение в течении некоторого времени, приемник также может рассчитать скорость и направление движения (имеется ввиду так называемые "наземная скорость" и "наземный курс"). 

Обычные гражданские GPS-приемники обеспечивают точность от 10 до 100 м в зависимости от количества видимых спутников и их геометрии. Однако точность даже обычных гражданских GPS-приемников может быть увеличена до 4 м и более ( в ряде случаев - до 1 м) с помощью дифференциальной GPS (DGPS). DGPS использует дополнительный фиксированный в одной точке GPS-приемник для определения коррекции спутниковых сигналов. В настоящее время в мире существует несколько бесплатных и платных служб, оказывающих услуги по DGPS. Так, например, Береговая охрана США и Инженерный корпус Армии США передают GPS-коррекции через морские радио-буи. Они работают в диапазоне 283.5 - 325.0 кГц для бесплатного использования. Платные DGPS-службы работают в УКВ-диапазоне или осуществляют вещание через спутники.

Точность определения координат также зависит от класса используемого GPS-приемника и может составлять от 10-50 см (Trimble 4800) до 5-15 м (приемники фирмы GARMIN). В GPS-приемниках реализована функция внутренней памяти, которая позволяет сохранять путевые точки и маршруты с заданным именем и зафиксированными координатами. Для выгрузки данных из GPS-приемника используется различное программное обеспечение. Применяются программы Garmin (PCX), MapSource, Waypoint+ и др. Обычно в результате этой процедуры создается текстовый ASCII-файл с разделителями определенной структуры, передающий информацию о сохраненных точках, треках или маршрутах. ASCII-файл при необходимости можно просмотреть и отредактировать с помощью любого текстового редактора. Все GPS-приемники по умолчанию настроены на международную систему координат WGS-84. Для использования других систем координат необходимо вводить соответствующие поправки.

Современные GPS-приемники имеют память, способную вместить несколько тысяч точек маршрута с развернутым описанием каждой из них, они могут работать от сигналов и GPS (США) и системы "Глонасс" (GLONASS) (Россия), оснащаются жидко-кристаллическими экранами для визуализации местоположения на фоне встроенной карты и т. д. В 2004 г. США планируют реализацию программы по модернизации спутников, в ходе которой будут запущены восемь модернизированных аппаратов GPS-2RM, которые заменят устаревшую орбитальную технику. На смену GPS-2RM придут спутники GPS-2F, а к 2012 г. планируется начать развертывание спутниковой навигационной системы третьего поколения GPS-3.