Система позиционирования

Очевидно, что любому человеку, сознательно или интуитивно, хо чется знать, где он находится. В житейских случаях он задает свое место положение относительно знакомых ему ориентиров. Например: «Я нахо жусь по такомуто адресу». Или: «Я лечу гдето посередине между Жмеринкой и Парижем». Самой же универсальной формой задания ме стоположения, той, которой пользуются навигаторы и геодезисты, явля ется использование какойлибо системы координат. Поэтому, прежде чем говорить о позиционировании, необходимо сказать о том, что такое координаты пункта в нашем понимании.

Рассмотрим геоцентрические системы координат. Их начало сов падает с центром (или, точнее говоря, с центром масс) Земли. Глобаль ная система позиционирования использует прямоугольную (декартову) систему X, Y, Z и эллипсоидальную систему B, L, H. Поясним, о каком эллипсоиде идет речь. Общеземной эллипсоид является самой простой в математическом смысле моделью Земли. Эллипсоид подбирают так, что бы его поверхность как можно ближе подходила к поверхности геоида. Геоид можно представить себе как поверхность, совпадающую с невоз мущенной поверхностью мирового океана и мысленно продолженную под материками. В строгом определении геоид — это уровневая поверх ность, содержащая точку, принятую за начало отсчета высот. В России таковой является нульпункт кронштадтского футштока. Опорными плоскостями в рассматриваемых системах координат являются плос кость экватора и плоскость начального (гринвичского) меридиана. От экватора отсчитывают геодезические широты B. От Гринвича отсчитывают геодезические долготы L. Геодезические высоты H отсчитывают от поверхности эллипсоида по нормали. К этому же эллипсоиду относится и прямоугольная система координат. С осью суточного вращения Земли совпадает малая ось эллипсоида и ось Z, проходящая через северный по люс. Ось X является линией пересечения плоскости экватора и плоско сти гринвичского меридиана. Ось Y также лежит в плоскости экватора. Системы спутниковой радионавигации не исключение. Рассмотрим не сколько основополагающих идей.

А — местоопределение по расстоянию до спутников. Зная коорди наты навигационных спутников и умея измерять расстояние до них, оп ределить координаты наблюдателя — дело техники. Например, если мы знаем, что от нас до навигационного спутника, скажем, 11 тыс. км, то это значит, что мы находимся гдето на воображаемой сфере радиусом в 11 тыс. км с центром, совпадающим с этим спутником. Если одновременно с этим расстояние до другого спутника составляет 12 тыс. км, то наше ме стоположение будет гдето на окружности, являющейся пересечением двух таких сфер. И, наконец, знание дальности до третьего спутника со кратит количество возможных точек нашего местонахождения до двух, одна из которых будет находиться гдето далеко в космосе (и мы ее отбра сываем), а другая — на земле, рядом с нами.

Б — измерение расстояния до спутника. Школьная истина гласит: «расстояние есть скорость, умноженная на время движения». Навигаци онный приемник так и работает. Он измеряет время, за которое радио сигнал доходит от спутника до нас, а затем по этому времени вычисляет расстояние. Главной трудностью при измерении времени прохождения радиосигнала является точное выделение момента его передачи со спут ника. Для этого на спутнике и в приемнике в одно и то же время генери руется одна и та же кодовая последовательность. Теперь остается только сравнить время их рассогласования, умножить его на скорость распрост ранения радиоволн, и, казалось бы, дело в шляпе. Однако если спутник и приемник имеют расхождение временных шкал только в одну сотую секунды, то ошибка измерения расстояния составит около 3 тыс. км!

В — совершенная временная привязка. Чтобы избежать таких ошибок, на спутнике устанавливают атомные часы, точность которых составляет наносекунды, а стоимость — сотню тысяч долларов. Иметь такие же часы в приемнике — слишком дорогое удовольствие. Однако можно обойтись и простыми часами, если измерять дальность не до трех, а до четырех спутников. В этом случае четыре неточных измерения (с «расстроенными» часами) позволяют исключить относительное смеще ние шкалы времени приемника. И вот каким образом. Предположим, ча сы приемника несовершенны, не сверены с единым временем навигаци онной системы и отстают от него, например, на полсекунды. Если измерить время прохождения сигнала от четырех спутников и получить неистинные или псевдодальности до них, то окажется, что воображае мые сферы с радиусами, соответствующими этим псевдодальностям, не пересекаются в одной точке. Тогда для уточнения дальностей компьютер приемника прибавляет ко всем измерениям (или вычитает) некоторый один и тот же интервал времени до тех пор, пока не найдет решение, при котором все четыре воображаемые сферы пересекаются в одной точке.

Г — определение положения спутника в космическом пространст ве. Чтобы все вышеизложенное успешно выполнялось, необходимо точ но знать местоположение каждого навигационного спутника. Для этого, вопервых, спутники запускают на высокие орбиты (около 20 тыс. км), где движение стабильно и прогнозируемо с большой точностью. А во вторых, незначительные изменения в орбитах постоянно отслеживают ся. При этом сведения о местоположении спутника записываются в па мять бортового компьютера и затем передаются на приемник вместе с кодовой последовательностью.

Д — коррекция задержек сигнала. Как бы совершенна ни была си стема, есть несколько источников погрешностей, которые очень трудно избежать. Самые существенные из них возникают при задержке радио сигнала в ионосфере (слое заряженных частиц на высоте 120—200 км) и тропосфере (8—18 км) Земли. Величина задержек непостоянна и зависит от солнечной активности и погодных условий.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сде лать ошибку минимальной. Вопервых, мы можем предсказать, каково типичное изменение скорости распространения радиоволн в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку в из мерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в использовании двух частот несущих ко лебаний. По разности задержек двух разночастотных сигналов нетрудно выяснить величину замедления скорости света в атмосфере.

В американской GPS используется World Geodetic System (WGS84) — всемирная геодезическая система, принятая в 1984 году. В глобальной навигационной спутниковой системе «Глонасс» использует ся ПЗ90 — система параметров Земли, принятая в 1990 году. Они отлича ются параметрами земного эллипсоида, поэтому координаты, использу емые в этих геодезических системах, могут расходиться на 100—150 м.

Global Positioning System (GPS) переводится как глобальная систе ма позиционирования. Термин «позиционирование» — более широкий по отношению к термину «определение местоположения». Позициони рование помимо определения координат включает определение вектора скорости движущегося объекта. Полное название системы GPS Navstar (Navigation System with Time and Ranging) — навигационная система на основе временных и дальномерных измерений.

GPS состоит из трех частей: космического сегмента, сегмента уп равления и контроля и сегмента пользователей. Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в эпоху наблюдений спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки ин формации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя — это совокупность спутниковых приемников, находящихся в работе.

Номинально в каждый момент времени имеется 24 работающих спутника, которые распределены по шести круговым орбитам. На каж дой орбите, таким образом, находится четыре спутника. Плоскости ор бит разнесены по долготе на 60 градусов. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора составляет 53 градуса. Расстояние спутников от по верхности Земли — 20,2 тыс. километров. При такой высоте орбиты пе риод обращения равен половине звездных суток. Наблюдателю это удоб но. Он знает, что если сегодня в такоето время спутник находится в такойто точке небосклона, то ровно через сутки тот же спутник будет примерно там же. Удобно планировать наблюдения. Самым дорогим оборудованием спутников являются атомные эталоны частотывремени, обеспечивающие наносекундную точность хода бортовых часов.

В задачи сегмента управления и контроля (Operational Control System) входит слежение за спутниками для определения параметров их орбит (эфемерид) и поправок часов относительно системного времени GPS, прогноз орбит спутников и их местоположения на орбитах (про гноз эфемерид), временная синхронизация часов относительно времени системы, загрузка навигационного сообщения в бортовые компьютеры спутников. Главная станция управления и контроля (Consolidated Space Operations Center) находится в КолорадоСпрингс (США). Центр соби рает и обрабатывает данные со станций слежения, вычисляет и предска зывает эфемериды спутников, а также параметры хода часов.

Затем данные передают на одну из трех наземных станций для за кладки информации в память бортовых компьютеров. Пять станций сле жения за спутниками, равномерно расположенные по всему миру, каж дые полторы секунды определяют дальность до всех находящихся над горизонтом спутников. Данные слежения передаются на главную стан цию управления и контроля.

Пользователи системы разделяются на категории по нескольким признакам: военные и гражданские, авторизованные и неавторизован ные, навигаторы и геодезисты. Задачи навигации в значительной мере сводятся к определению текущих координат транспортного средства с ошибкой 10—15 м, а также к определению скорости и направления его движения. Кроме того, навигационный приемник указывает требуемый и реальный курс на заданный объект, отклонение от маршрута, предпи сывает маневры, желательные для возвращения на курс. Навигационный режим измерений является кодовым, поскольку приемник обрабатывает сигнал спутника именно как кодовый сигнал.

Измеряемыми величинами являются: задержка сигнала и допле ровское смещение частоты, позволяющие вычислять дальность и ради альную скорость. При геодезических измерениях точность определения текущих координат на несколько порядков выше, чем в навигации. В этом случае одновременно работают несколько приемников, причем по крайней мере один из них должен быть установлен на пункте с известны ми координатами. Геодезический приемник кроме анализа кодовой по следовательность непрерывно регистрирует мгновенное значение фазы. Обработка этих данных специальным программным обеспечением поз воляет достигать сантиметровой точности в определении местоположе ния.

Одновременное обеспечение требований по измерению дальнос ти и скорости при простой структуре сигнала невозможно, поэтому при емлемым для таких измерений является использование шумоподобных сигналов, таких, например, как псевдослучайная последовательность импульсов. Упрощенный вид подобного сигнала представлен на рисун ке. Здесь фаза высокочастотной несущей модулируется навигационным кодом, который содержит дальномерный код (его автокорреляционная функция имеет очень острый максимум) и код двоичной служебной ин формации.

Такой принцип формирования сигнала системы позволяет по из мерению доплеровского сдвига частоты несущей определять скорости, а по задержке элементов дальномерного кода — дальность до спутника, при этом служебный код несет всю вспомогательную информацию (эфе мериды спутников, альманах системы и др.), необходимую для обеспече ния работы навигационного приемника.