Бурное развитие науки и техники в последние десятилетия позволило создать принципиально новый метод определения координат и приращений координат - спутниковый. В этом методе вместо привычных геодезистам неподвижных пунктов геодезической сети с известными координатами используются подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой, интересующий геодезиста момент времени.
В настоящее время используются две спутниковые системы определения координат: российская система ГЛОНАСС, что является аббревиатурой более длинного и точного названия ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система и американская система NAVSTAR GPS: NAVigation System with Time And Ranging Global
164
Positioning System (навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования). В данном случае под словом "позиционирование" подразумевается определение координат. Обе системы создавались для решения военных задач, но в последние годы нашли широкое применение в геодезии, обеспечивая исключительно высокие точности определения приращений координат со средней квадратической ошибкой 5 мм + D 10-6, координаты же одиночного приемника могут быть определены со средней квадратической ошибкой от 10 м до 100 м.
В связи с тем, что в геодезических измерениях GPS применяется существенно шире, особое внимание будет уделено именно этой системе.
Всю навигационную спутниковую систему определения местоположения принято делить на три сегмента: космический сегмент; сегмент контроля и управления; сегмент пользователей (приемники спутниковых сигналов).
Современная система NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС в полной комплектации должна состоять из 21 действующего спутника и трех запасных. Орбиты спутников практически круговые и расположены в трех орбитальных плоскостях (для ГЛОНАСС, рис. 14.1) и в шести орбитальных плоскостях (для NAVSTAR, рис. 14.2). Спутники оснащены солнечными батареями, которые обеспечивают энергией все системы, в том числе и во время прохождения спутника в тени Земли.
Орбиты спутников практически круговые и расположены на геодезической высоте, равной 20180 км и на расстоянии 26600 км от центра Земли. Такое количество спутников и их расположение обеспечивает одновременный прием сигналов как минимум от четырех спутников в любой части Земли.
Все спутники равномерно расположены в шести орбитальных плоскостях. Период обращения спутников составляет 12 часов звездного времени, в связи с чем каждый спутник появляется в том же месте ежедневно на 4 минуты раньше вчерашнего положения. Электроэнергией спутник обеспечивают две солнечные батареи площадью 7,2 м2 каждая, заряжая также аккумуляторы для обеспечения работоспособности спутника во время его полета в тени Земли. Каждый спутник снабжен кварцевым стандартом частоты, двумя цезиевыми и двумя рубидиевыми стандартами частоты, которые поддерживают стабильность часов спутника в пределах 1·10-12÷10-13. Цезиевые и рубидиевые стандарты частоты координируют и управляют основной частотой - кварцевым стандартом частоты, генерирующим 10,23 МГц. Из основной частоты формируют две частоты диапазона частот с названием L-диапазон.
L1 = 10,23·154 = 1575,42 МГц (длина волны 19,05 см),
L2 = 10,23·120 = 1227,60 МГц (длина волны 24,45 см).
165
Рис. 14.1. Спутниковая навигационная система ГЛОНАСС
Рис. 14.2. Спутниковая навигационная система NAVSTAR GPS
Рис. 14.3. Навигационный спутник ГЛОНАСС
166
Рис. 14.4. Навигационный спутник NAVSTAR GPS
Эти две частоты (называемые несущими) через модуляторы поступают на антенну и передают на Землю информацию. Информация накладывается на несущую частоту методом импульсно-фа-зовой модуляции. Модуляция сигнала - это изменение какого-либо параметра электрического сигнала (при амплитудной модуляции изменяется амплитуда сигнала, при частотной модуляции изменяется частота сигнала). При импульсно-фазовой модуляции фаза сигнала скачком изменяется на 180° (рис. 14.5). На частотах L1 и L2 передаются навигационные сигналы (коды), а также другая навигационная и системная информация.
В системе NAVSTAR GPS все спутники излучают на двух одинаковых частотах L диапазона (L1 и L2), но каждый спутник излучает свой личный код (индивидуальная последовательность переключения фазы на 180°), по которому ведется распознавание спутников. В российской системе ГЛОНАСС спутник излучает на своей частоте, а код общий для всех спутников. Российские спутники передают информацию на двух частотах L1 и L2.
Рис. 14.5. Импульсно-фазовая модуляция:
а - сигнал до модуляции;
б - сигнал после модуляции
167
Рис. 14.6. Размещения станций контроля и управления системы ГЛОНАСС:
ЦУС - центр управления системой ГЛОНАСС; ЦС - центральный синхронизатор; КС - контрольная станция; СКФ - система контроля фаз; КОС - квантово-оптическая станция; АКП - аппаратура контроля пола; КСС - контрольная станция слежения
L1 = f01 + k√f1;
L1 = f02 + k√f2;
где k = 0, 1, 2, 3... - номер спутника; f01 = 1602 МГц; f02 = 1246 МГц; √f1 = 0,4375 МГц; √f2 = 0,5625 МГц.
Отношение частот L1 и L2 равно 9/7.
Наземный сегмент системы ГЛОНАСС состоит из следующих взаимосвязанных стационарных элементов: центр управления системой (ЦУС); контрольные станции (КС); командная станция слежения (КСС); квантово-оптические станции и другие станции слежения за работой бортовых устройств спутников.
На рис. 14.6 показана схема расположения станций наземного сегмента системы ГЛОНАСС. На рис. 14.7 показано расположение станций контроля и управления системой NAVSTAR GPS. Все станции системы NAVSTAR GPS расположены вдоль экватора.
Станции слежения принимают все сигналы с проходящих над ними спутников, вычисляют расстояния спутников, измеряют местные метеорологические параметры и определяют информацию на главную станцию контроля.
На главной станции контроля обрабатывают всю поступающую информацию, вычисляют и прогнозируют эфемериды спутников и поправки в часы спутников, формируют навигационные сообщения спутника. Наземные антенны передают на спутник навигационное
168
Рис. 14.7. Расположения станций контроля и управления системой NAVSTAR GPS
сообщение, сформированное на главной станции слежения. Наземные передающие антенны расположены так, что каждый спутник ежедневно имеет по крайней мере три сеанса связи с системой слежения. Схема обновления бортовых эфемерид спутников приведена на рис. 14.8.
Рис. 14.8. Измерение, прогнозирование и обновление эфемерид спутника
169
