Спутниковые навигационные системы

Спутниковая навигационная система состоит из трех частей:

GPS имеет функцию, которая позволяет Министерству обороны США ухудшать сигнал, чтобы помешать своим противникам использовать наивысшую степень точности. Эта функция называется выборочной доступностью (SA) и вносит случайную ошибку около 100 метров. SA была отключена в 2000 году. Американские военные выступили с заявлением о том, что они не будут повторно запускать SA, но навигаторы в зонах военных действий должны, тем не менее, быть готовы к такой возможности.

Положения спутников определяются в x, y, z − системе координат с начальной точкой в центре Земли. Рассчитанный диапазон создает сферу возможных позиций.

Это не является обычным правом для всех − возможность получать сигналы GPS, выступая "подарком" Министерства обороны США.

Для того чтобы система работала, необходимо, чтобы положение спутников было известно до секунды − несмотря на то, что они несутся в космосе со скоростью 4 км/сек.

Часы требуются для определения времени прохождения радиосигналов, и только предельная точность атомных хронометров делает возможным подобный уровень возможным. Но даже их исключительная стабильность, должна контролироваться и корректироваться системой управления.

Функция станции управления в Колорадо-Спрингс заключается в обеспечении нахождения спутников на правильной орбите и в корректировке четырех атомных часов на борту каждого спутника. Это делается с использованием данных со станций мониторинга. Спецификация для погрешности атомных часов состоит в том, чтобы она составляла менее 7 наносекунд, что эквивалентно двухметровой ошибке в положении судна.

Расположение станций мониторинга на поверхности земного шара и станции управления в США.
Эта карта взята из www.gps.gov, где доступна актуальная информация о GPS

Система отслеживает положение спутников с помощью станций мониторинга. Станция управления отправляет орбитальную информацию спутникам, которые, в свою очередь, передают ее приемникам. Это информирует приемники о том, где находятся спутники в космосе в любой данный момент времени.

Системе GPS требуется более 24 спутников, которые вращаются вокруг земного шара в шести орбитальных плоскостях с ориентацией 55° к экваториальной плоскости. Каждая плоскость содержит четыре спутника. Это гарантирует, что в любой момент на поверхности земли есть по меньшей мере шесть спутников, высота которых над горизонтом составляет не менее 9,5°. Это считается наименьшим углом, при котором приемлемый сигнал может быть принят простой антенной. Самые старые спутники перестали работать, но были запущены новые поколения. Ожидается, что срок их полезного использования составит от 7 до 12 лет.
Управляемые ракеты используются для стабилизации и коррекции положения спутника относительно его предполагаемой орбиты. Передающие антенны всегда должны быть обращены к Земле. Полезная нагрузка: топливо и аккумуляторы − это факторы, определяющие срок службы спутника.
Каждый спутник оснащен четырьмя атомными часами с точностью 1 секунда за 1 400 000 лет. (Более новые спутниковые часы имеют еще более высокую точность.)
Спутники описывают круговые орбиты на высоте 20 200 км (3,75 радиуса Земли), и каждый из них весит около 2 тонн. Их орбитальные периоды составляют около 12 часов.
    

Спутники непрерывно передают сигналы на двух частотах: L1 на 1575,42 МГц для гражданского использования (также называемый C/A, Грубый прием) и L2 на 1227,60 МГц (P, Точный код). Это предназначено для военного применения и обеспечивает большую защиту от помех.

Из-за энергетических ограничений в космосе сигналы слабые, примерно 50 Вт. Источником энергии выступают солнечные панели, а на темной стороне Земли, аккумуляторы.

Несущая волна кодируется уникальным образом, который идентифицирует спутник и навигационную информацию. Он разделен на 25 блоков, каждый из которых содержит 1500 бит, и отправляется непрерывно. Скорость передачи составляет 50 бит/с, поэтому для полной передачи требуется 12,5 минут. Информация содержит:

Технология кодирования позволяет всем спутникам передавать на одной и той же частоте одновременно, не мешая друг другу (CDMA, множественный доступ с кодовым решением). Это кодирование гарантирует, что только получатели, которые знают коды, могут использовать систему. Код C/A широко известен, прост и доступен для всех.

Приемники сигналов с навигационных спутников бывают различных форм и размеров для различных применений.

 4.1. Загрузка (Запуск)

Время, необходимое для загрузки приемника разное, в зависимости, например, от того, является ли это начальной загрузкой или система переведена в "спящий" режим при выключении, его качества и производителя. Современные устройства загружаются быстрее

4.2. Горячий старт

Самая быстрая загрузка достигается, когда спутниковый приемник имеет доступ к текущему положению, времени, календарю и орбитальным данным. Эта ситуация возникает, когда устройство загружается более или менее в одном и том же месте и в течение нескольких часов после последнего местоположения.

4.3. Теплый старт

Время и календарь корректные, но орбитальные данные не абсолютно актуальны. Каждый спутник передает свои орбитальные данные каждые 30 секунд.

4.4. Холодный или Заводской запуск

Если приемник был выключен в течение нескольких недель, хранился без батарей или был перемещен на борт с момента последней записи, загрузка будет еще медленнее. Приемник должен найти все возможные спутники, чтобы получить всю необходимую информацию о каждом, так называемый альманах. Эти данные регулярно передаются каждые 12,5 минуты. 

Эти функции постоянно совершенствуются. Некоторые из новых приемников имеют очень короткое время загрузки.