Вдохновленный серией постов «Теория радиоволн», я решил написать аналогичный пост о системах спутникового позиционирования.
Я работаю в структуре, обеспечивающей функционирование системы ГЛОНАСС, поэтому попробую рассказать о ней и ее конкурентах несколько с другой точки зрения.
Пост будет именно об их структуре; Попутно хотелось бы развеять несколько мифов.
Постараюсь обойтись без изложения прописных истин и информации, которую каждый может почерпнуть из Википедии, но иногда без них невозможно обойтись, прошу отнестись с пониманием.
Структура системы
Все вы знаете, что такое глобальные навигационные спутниковые системы.Наиболее распространено мнение, что это ряд спутников на низкой околоземной орбите, излучающих определенный сигнал, который позволяет нам определять свои координаты в любой точке земного шара.
Фактически любая ГНСС содержит как минимум три компонента:
- подсистема навигационного космического корабля (НСВ)
- подсистема наземного комплекса управления (ГКУ)
- Подсистема потребительского навигационного оборудования (CNA)
На данный момент полностью развернуты и общедоступны только две системы: GPS и ГЛОНАСС.
На различных стадиях развертывания находятся как минимум еще четыре системы GNSS. Поскольку ни один из них не завершен, мы не будем о них говорить, хотя большая часть сказанного относится и к ним.
Как это работает
Спутниковая подсистема представляет собой ряд спутников, согласованно движущихся по специально выбранным орбитам.Главное условие при выборе орбит – в любой момент времени в любой точке планеты должно быть видно не менее 4 спутников (почему именно четыре, будет объяснено ниже).
Каждое из устройств оснащено атомными часами – цезиевыми, рубидиевыми или их комбинацией, в зависимости от модификации – синхронизированными с часами центрального синхронизатора системы.
Синхронизированы не значит, что они синфазны, это значит, что разность часов известна.
Это центральный синхронизатор, хранящий в себе так называемые системная шкала времени .
Наш центральный синхронизатор находится в Подмосковье, американский — в районе Вашингтона, что неудивительно.
Каждое устройство излучает несущую волну в двух диапазонах частот L1 и L2. Все спутники системы GPS излучают на общих частотах 1575,42 МГц и 1227,60 МГц для L1 и L2 соответственно, а спутники системы ГЛОНАСС излучают на отдельных частотах, называемых буквы (устройства, расположенные в противоположных точках орбиты, излучают на одну и ту же букву).
Разница между буквами составляет 562,5 кГц для поддиапазона L1 и 437,5 кГц для L2, нулевая буква имеет частоты 1602 МГц и 1245 МГц соответственно.
Несущая волна модулируется специальной кодовой последовательностью таким образом, чтобы фаза кодового сигнала совпадала с показаниями спутниковых часов (если кому интересно, модуляция фазовая).
В системе GPS каждое устройство имеет уникальную кодовую последовательность, которая позволяет различать их сигналы, несмотря на общую частоту.
ГЛОНАСС использует частотное разделение, поэтому все устройства имеют одинаковую кодовую последовательность.
Дополнительно спутниковые сигналы модулируются навигационными сообщениями, содержащими параметры полиномиальной математической модели движения спутника и модели смещения показаний спутниковых часов относительно системной шкалы времени.
Структура сигнала космического корабля ГЛОНАСС
Навигационные сообщения также содержат параметры ионосферы (позволяет учитывать задержку сигналов в ионосфере), разницу между системной шкалой времени и мировой координированной шкалой времени и еще много другой полезной информации.
Проще говоря, спутниковая подсистема представляет собой сеть синхронизированных часов, движущихся в пространстве, координаты которых известны в любой момент. Наземный комплекс управления представляет собой сеть наземных станций, обеспечивающих определение параметров движения космических аппаратов и параметров их часов.
На станциях проводятся измерения параметров вращения планеты и параметров атмосферы, там уточняются характеристики гравитационного поля Земли и сохраняется мировая система координат. Функционально в состав НКУ входит значительное количество научно-исследовательских учреждений и лабораторий.
И конечно, именно наземный комплекс обрабатывает все эти данные и выдает их на устройства, которые уже транслируют их в составе навигационного сообщения.
В состав наземного комплекса входят базовые точки с калиброванными приемниками, точки федеральной астрономо-геодезической сети, радиоинтерферометры со сверхдлинной базой, лазерные дальномеры и многое другое интересное.
В целом функции наземного комплекса весьма разнообразны; его деятельность слишком обширна, чтобы ее можно было включить в эту статью.
Если кому-то интересно, попробую написать и об этом статью.
Сеть станций наземного комплекса управления ГЛОНАСС
Ну а само потребительское навигационное оборудование принимает и обрабатывает сигналы спутниковой системы.
Принимая сигнал от всех видимых устройств, приемник выполняет следующие функции (упрощенная схема):
- разделение сигнала от каждого спутника (по кодовой последовательности для GPS и по частоте для ГЛОНАСС).
- определение показаний спутниковых часов в момент излучения принятого сигнала путем обработки кодовой последовательности.
Как уже говорилось выше, кодовая последовательность синхронизируется с бортовыми часами устройства.
- Получение навигационного сообщения.
Это даст следующие данные: положение устройства и разницу между ходом его часов и системной шкалой времени.
Мы уже можем определить момент, когда спутник излучает сигнал, в масштабе системного времени.
- определение показаний собственных часов приемника в момент приема сигнала со спутников.
Таким образом мы определяем время распространения сигнала от спутника до приемника.
Но мы определим это время с погрешностью, равной разнице между часами приемника и шкалой системного времени.
Очевидно, что эта ошибка будет одинаковой для всех устройств.
А неизвестные — это наши координаты и разница между шкалой времени приёмника и шкалой времени системы, то есть четыре неизвестных.
Кстати, вопреки распространенному заблуждению, приемник определяет координаты не в виде широты, долготы и высоты, а в виде x, y, z — координат в геоцентрической декартовой системе координат, связанной с центром масс планета.
Это связано с тем, что координаты космических аппаратов определяются именно в этой системе координат. Существуют стандартные уравнения для преобразования параметров x,y,z в B,L,H (широта, долгота, высота).
Понятно, что для определения четырех неизвестных необходима система уравнений, состоящая из четырех и более уравнений.
Вот почему нам нужны четыре видимых устройства.
Определить можно с помощью трех приборов; для этого в систему вводится дополнительное уравнение земного эллипсоида (связывающее x, y, z с классическим уравнением эллипсоида).
Но в этом случае наше положение будет привязано именно к эллипсоиду, то есть о высоте говорить не приходится.
В любом случае результатом решения этой системы уравнений будут наши координаты и положение на шкале времени системы.
О последнем иногда забывают, хотя передача точного времени не менее важна, чем определение координат. На данный момент с помощью ГНСС можно передавать точное время в любую точку земного шара с точностью около десяти наносекунд, в особых случаях — до нескольких наносекунд. В этом у них практически нет конкурентов; все остальные системы передачи точного времени либо намного дороже, либо намного хуже.
Все лаборатории мирового времени, все национальные стандарты времени и частоты (в том числе и наш) сравниваются с помощью ГНСС (конечно, не только ГНСС), что позволяет поддерживать мировую согласованную шкалу времени UTC, TAI и т. д. Однако передача время и частота, мировые шкалы времени – это отдельная тема.
Конечно, это сильно упрощенная схема работы навигационных систем; О любом компоненте можно говорить очень долго.
Так что, если кому интересно, готов углубиться в любой аспект работы ГНСС.
Ломая покровы
Скажу сразу, что здесь я просто рассмотрю самые распространённые вопросы и заблуждения, с которыми постоянно сталкиваюсь.Что ж, попробую объяснить реальное положение дел, в меру своих возможностей, конечно.
Почему ГЛОНАСС так плох?
Самый частый вопрос.Начну с того, что ГЛОНАСС не хуже GPS во всех отношениях.
Например, в полярных регионах группировка ГЛОНАСС обеспечивает лучшее покрытие за счет более оптимальной конфигурации орбитальной группировки.
Однако в экваториальных регионах ситуация обратная по той же причине.
Ноги растут из военного назначения обеих систем, и военные интересы Советского Союза и США были сосредоточены именно на этих направлениях.
Кроме того, частотное разделение сигналов фактически повышает помехоустойчивость системы ГЛОНАСС.
Это самое разделение частот влечет за собой множество проблем, но факт остается фактом: в случае вооруженного конфликта подавить нашу ГНСС будет сложнее.
Сама система постоянно совершенствуется.
Пусть это будет не так быстро, как хотелось бы, пусть это будет сопровождаться коррупционными скандалами, в которых фигурируют какие-то астрономические суммы, но весь мир признает, что ГЛОНАСС стабильно находится в пределах четырех-пятилетнего отставания от GPS, и этот разрыв не увеличивается.
.
Кстати, не думайте, что GPS намного дешевле; это также стоит больших денег, которые не всегда тратятся должным образом.
Так почему же ГЛОНАСС отстает? Мало кто знает, что система ГЛОНАСС на несколько лет старше GPS (формально сама система моложе, но ее прототипы появились раньше и разработка самой технологии началась раньше).
Американцы, конечно, наблюдали за его созданием, и создавали свое, пытаясь учесть наши ошибки, которые другим способом предсказать было невозможно.
Избежав наших системных ошибок и не остановив развитие (в отличие от нас, вся наша спутниковая группировка в девяностые годы едва не оказалась на дне Тихого океана), они из отстающих превратились в лидирующих.
Военные кодексы
Как известно, спутники обеих систем излучают сигналы двух типов: стандартной точности (код ST для ГЛОНАСС, код C/A для GPS) и высокой точности (аналогично код VT и код P/Y).Код ГЛОНАСС ST излучается в обоих диапазонах частот, а код GPS C/A — только в диапазоне частот L1 (за исключением нескольких спутников новой серии).
Сигналы высокой точности излучаются в обоих диапазонах частот. Эти сигналы отличаются кодовой последовательностью, а сигналы с высокоточным кодом имеют более широкую полосу пропускания, что повышает точность и затрудняет подавление.
Традиционно сигналы высокой точности считаются военными, а стандартные сигналы считаются гражданскими.
Это верно лишь отчасти.
Кодовая последовательность Р-кода и ВТ-кода на данный момент открыта для широкого использования: американцы официально опубликовали свои кодовые последовательности, а заодно и наши (оставим за кадром то, откуда они их узнали).
Поэтому сейчас любой производитель совершенно волен создавать приемники, принимающие военные сигналы (и они это делают, вся высокоточная аппаратура принимает все типы сигналов на всех частотах).
Особенность в том, что при необходимости эти коды меняются по специальному алгоритму, секретному, естественно.
И после такой смены кодовых последовательностей их сможет получить только военная техника, так как в нее изначально зашит именно этот алгоритм.
Причем при необходимости к сигналам стандартной точности применяется и кодирование, что не мешает приему этих сигналов, но не позволяет определить положение лучше пары сотен метров в принципе.
Все эти манипуляции могут осуществляться не глобально, а только над определенным регионом земного шара, как это продемонстрировали американцы во время войны в Ираке, лишив весь Ближний Восток нормального GPS. Наши сделали то же самое во время конфликта с Грузией, что не вызвало особого резонанса, поскольку пользователей ГЛОНАСС в Грузии не найти.
Весы GPS, ГЛОНАСС, UTC
Я уже объяснил, что такое системные шкалы времени.Я также упомянул Всемирную шкалу времени (UTC).
Некоторые путают все эти понятия, я попробую отделить мух от котлет и объяснить различия.
Всемирная координированная шкала времени UTC представляет собой аналитическую шкалу времени (то есть не имеет физической реализации, осуществляется «на кончике пера»), которая рассчитывается путем сравнения шкал времени с эталонами времени и частоты все лаборатории мирового времени.
Соответственно, сами шкалы эталонов в этих лабораториях носят название страны или учреждения.
Например, шкала нашего национального стандарта называется UTC(SU) (SU, поскольку почти все страны бывшего СССР живут в одной шкале), шкала американского института стандартов NIST называется UTC(NIST).
Американская военно-морская обсерватория USNO (самая мощная лаборатория времени и частоты в мире) поддерживает шкалу UTC (USNO), на которую настроен центральный синхронизатор системы GPS. Они ужесточают, но разница между шкалами все равно всегда есть, порядка нескольких наносекунд, и эта разница передается в навигационном сообщении спутников GPS. Таким образом, любой GPS-приемник может выводить как системную шкалу времени, так и шкалу времени UTC(USNO).
Аналогичная ситуация и для системных шкал времени ГЛОНАСС и UTC(SU).
Но вращение нашей планеты замедляется, и шкала времени UTC корректируется на одну секунду каждые несколько лет. А системные шкалы времени не корректируются, и разница между системными шкалами и Всемирным координированным временем составляет в настоящее время 16 секунд. Всем спасибо за внимание, надеюсь было интересно.
Теги: #GPS #ГЛОНАСС #Системы глобального позиционирования
-
Loctote – Сумка Для Обуви С Защитой От Краж
19 Oct, 24 -
Победите Google За 100 Дней
19 Oct, 24 -
Перемещение Объектов (И Полосы Прокрутки)
19 Oct, 24 -
Тссс, Швеция Тебя Слушает
19 Oct, 24 -
Microsoft Латает Дыры
19 Oct, 24
