Описание ГЛОНАСС сделано, в основном, на основе книги [13]. Использованы также работы [4,15].

1. Структура ГЛОНАСС

Описание ГЛОНАСС сделано, в основном, на основе книги [13]. Использованы также работы [4,15].

ГЛОНАСС, как и GPS, состоит из трех сегментов: космического (спутникового) сегмента, наземного сегмента управления и контроля, а так же сегмента пользователя. Функционирование ГЛОНАСС, как и GPS, основано на хранении частоты и времени, и на измерении разности частот, разности фаз и на измерении интервалов времени.

ГЛОНАСС и GPS называют сетевыми системами, так как функционирование всех их элементов (блоков) синхронизировано во времени и пространстве. Фундаментальная частота и шкала времени ГЛОНАСС заданы наземными водородными стандартами частоты (водородными мазерами), работающими с относительной нестабильностью 10 ^-14, а так же спутниковыми цезиевыми стандартами частоты, работающими с относительной нестабильностью 10^-13. Спутниковая шкала времени и наземная шкала времени согласованы с ошибкой в 3-5 наносекунд.

Как было сказано, структура ГЛОНАСС и структура GPS сходны. Различия между этими системами определяются в основном тем обстоятельством, что спутники ГЛОНАСС наблюдают со станций слежения, расположенных на территории России, а спутники GPS наблюдают со станций слежения, более равномерно расположенных по всей земной поверхности. Вместе с тем, для слежения за спутниками ГЛОНАСС, для определения и предсказания их орбит используют более точные методы слежения за спутниками.

Одно из существенных различий между GPS и ГЛОНАСС состоит в том, что в них применяют разные практические реализации геоцентрической системы координат. В GPS используют WGS-84 World-Geodetic System - Всемирную Геодезическую Систему, принятую в 1984 году[7]. В ГЛОНАСС используют ПЗ-90- Параметры Земли, принятые в 1990[2]. По определению, то есть теоретически, обе системы являются глобальными геоцентрическими системами координат. Однако практическая реализация этих систем координат является разной: использованы разные спутники, разные станции слежения, разные методы наблюдений спутников (слежения за спутниками) и разные методы обработки результатов этих наблюдений.

Для пересчета координат пункта из ПЗ-90 в WGS -84 рекомендована следующая формула [2]:

(1.1)

Разности координат одного и того же пункта, полученные в системе координат ПЗ-90 из наблюдений спутников ГЛОНАСС и полученные системе координат WGS-84 из наблюдений спутников GPS, и сравненные с использованием формулы (1.1), могут доходить до нескольких метров. Чтобы уточнить связь между ПЗ-90 в WGS-84 и корректировать параметры формулы связи (1.1), необходимо выполнять одновременные наблюдения одних и тех же спутников обеих систем с одних и тех же станций слежения, по одной и той же методике и технологии.

Первый спутник ГЛОНАСС «Космос 1413» был запущен 12 октября 1982 года. В 1995 году все 24 спутника были выведены на орбиты. ГЛОНАСС находится под командованием Министерства Обороны Российской Федерации. Начиная с 1996 года система стала частично доступной гражданским пользователям. Связь гражданских пользователей с Министерством Обороны Российской Федерации осуществляется через Научный Координационный и Информационный Центр. Официальное описание системы содержится в контрольном документе ГЛОНАСС [4,15].

1.1. Спутниковый сегмент

Этот сегмент называют также «космический сегмент» и «спутниковая подсистема». Номинально сегмент содержит 24 операционных спутника и 3 резервных спутника. Спутники распределены по трем круговым орбитам. На каждой орбите, таким образом, находятся по 8 спутников. Плоскости орбит разнесены по прямому восхождению (по долготе) на 120°. Наклон плоскости орбиты к плоскости экватора равен 65°. Высота орбиты над поверхностью Земли - около 19100 километров. Период обращения спутника вокруг Земли равен 11 часам 15 минутам 44 секундам. Орбиты имеют номера 1, 2 и 3. Спутники, находящиеся на первой орбите, имеют номера от 1 до 8, на второй - от 9 до 16, на третьей - от 17 до 24.

В GPS геометрия наблюдений, то есть взаимное расположение спутников и наземных пунктов, повторяется через каждые сутки. В ГЛОНАСС геометрия наблюдений повторяется через каждые 17 витков спутников вокруг Земли. Это происходит примерно через 8 суток, а точнее - через 7 суток 28 часа 27 минут 28 секунд. Такой период обращения спутников ГЛОНАСС, не равный половине периода обращения Земли вокруг оси, то есть, такая высота орбиты, выбраны намеренно. Движение спутников ГЛОНАСС, в отличие от спутников GPS, не подвержено резонансным возмущениям, вызванным нерегулярностями гравитационного поля Земли [13]. Поэтому нет необходимости время от времени корректировать орбиты спутников ГЛОНАСС, как это делают в GPS. Это - одно из преимуществ ГЛОНАСС перед GPS.

1.2. Сегмент управления и контроля

Этот сегмент называют также «подсистема управления и контроля» или «наземный сегмент». Сегмент управления и контроля включает: центральную станцию управления и контроля, центральный синхронизатор, контрольные станции слежения, подсистему контроля фазы, подсистему контроля навигационного поля, а также лазерные станции слежения за спутниками.

Сегмент управления и контроля осуществляет следующие функции: Слежение за спутниками, определение и предсказание орбит спутников. Синхронизацию временных шкал спутников и наземной временной шкалы. Формирование навигационного спутникового сообщения, закладку сообщения в память бортовых компьютеров спутников, контроль передачи этого сообщения. Контроль функционирования спутников. Сравнение фазы колебаний, излучаемых спутниками, с фазой колебаний, генерируемых центральным синхронизатором. Контроль характеристик навигационного поля. Измерение дальностей до спутников лазерными дальномерами. Отметим, что в ГЛОНАСС, в отличие от GPS, измеряют и контролируют не только время, но и фазу (разность фаз) колебаний. Контролируют также характеристики навигационного поля.

Рисунок 1.1 иллюстрирует географическое положение станции сегмента управления и контроля ГЛОНАСС. Принята следующая нумерация: 1. Москва. 2. Санкт-Петербург. 3. Воркута. 4. Якутск. 5. Петропавловск-Камчатский. 6. Уссурийск. 7. Улан-Удэ. 8. Енисейск. Главная станция управления и центральный синхронизатор расположены в Москве.

Хотя территория России очень велика, станции слежения станции закладки информации ГЛОНАСС расположены на небольшой части земной поверхности. Поэтому наибольшую часть времени движения по орбите спутники находятся вне поля зрения станций слежения и станций закладки информации. Это снижает точность эфемерид спутников. Для того, чтобы интерполировать и экстраполировать орбиты спутников, специалисты создали совершенные математические модели, в том числе модели поля силы тяжести на высоте орбит спутников. Но все же эфемериды спутников ГЛОНАСС являются точными только для территории России и имеют меньшую точность для всей остальной поверхности Земли. Ситуацию можно улучшить, если наблюдать спутники ГЛОНАСС со станций слежения, расположенных более или менее равномерно по земной поверхности. При этом целесообразно, как это и делается сейчас, для слежения за спутниками использовать радары и лазерные дальномеры. Необходимо также чаще обновлять эфемеридную информацию в памяти бортовых компьютеров спутников и в навигационном сообщении. Это важно для интеграции ГЛОНАСС в систему глобальной геодезии и навигации.

Рисунок 1.1. Географическое положение сегмента управления и контроля ГЛОНАСС

Центральная станция управления и контроля взаимодействует со всеми элементами ГЛОНАСС. На эту станцию поступает информация из национальной службы эталонной частоты и времени России, из службы определения параметров вращения Земли, а также из службы, наблюдающей за солнечной активностью и за геофизической обстановкой.

Центральный синхронизатор формирует временную шкалу ГЛОНАСС, используя стандарты частоты на водородных мазерах.

Контрольные станции слежения называют также "контрольные станции" и наземные измерительные пункты». Станции слежения определяют параметры орбит спутников ГЛОНАСС, и относительные поправки бортовых временных шкал этих спутников относительно времени ГЛОНАСС. Контрольные станции слежения закладывают навигационное сообщение и управляющие команды в память бортовых компьютеров спутников. Обычно эфемериды обновляют один раз в сутки, но существует возможность делать это дважды в сутки. С помощью радаров измеряют дальности до спутников с ошибкой, не превышающей трех метров, а также измеряют радиальную скорость движения этих спутников.

Подсистема контроля фазы состоит из нескольких специальных навигационных приемников, расположенных на главной станции управления и контроля. Такой приемник сравнивает фазу и частоту колебания, пришедшего со спутника, с фазой и частотой колебания наземного стандарта частоты. Такую процедуру выполняют один раз в сутки.

Подсистема контроля навигационного поля состоит из точных навигационных приемников. Эти приемники расположены на контрольных станциях слежения и установлены на пунктах с известными координатами. Подсистема сравнивает значения полученных навигационных координат с известными значениями координат пунктов и оценивает качество навигационных данных.

Лазерные станции слежения с помощью лазерных дальномеров измеряют дальности до спутников, на которых укреплены призменные отражатели. Это делают для контроля результатов, полученных радарами. Используют два типа лазерных спутниковых дальномеров: ЭТАЛОН с дальностью действия в 20 тысяч километров и МАЙДАНАК с дальностью действия в 40 тысяч километров. Ошибка измерения равна 2 сантиметрам. Одновременно измеряют направления на спутники с ошибкой в 1" — 3".

1.3. Сегмент пользователя

Приемник пользователя спутниковой системы определяет мгновенные координаты носителя приемника - транспортного средства оборудованного приемником, вектор скорости и момент наблюдений по часам приемника, откорректированный относительно временной шкалы ГЛОНАСС и относительно шкалы времени UTC(SU) - всемирного координированного времени, практически реализованного в Советском Союзе [13]. Всю эту информацию получают как результат приема и обработки сигналов спутников. Сегмент пользователя ГЛОНАСС сейчас состоит в основном из навигационных приемников.

Спутниковый приемник имеет несколько приемных каналов. Это означает, что приемник способен одновременно принимать и обрабатывать сигналы нескольких спутников, находящихся в зоне радиовидимости антенны приемника. Приемники ГЛОНАСС имеют до 12 каналов. Приемники, предназначенные для работы одновременно со спутниками ГЛОНАСС и GPS, имеют более 12 каналов. Приемники ГЛОНАСС используют для навигации наземных транспортных средств, для навигации кораблей, судов, самолетов, вертолетов наземных носителей, а также для навигации космических носителей искусственных спутников Земли, являющихся частью других спутниковых систем. Имеются примеры совместного использования геодезических приемников ГЛОНАСС и GPS для решения задач геодезии.

2. Спутники ГЛОНАСС

Спутники ГЛОНАСС запускают с космодрома Байконур (Казахстан) с помощью ракеты-носителя ПРОТОН и ускорительного блока. Каждая ракета несет три спутника. Доставка спутников в их рабочие положения - системные точки - происходит в несколько этапов. Сначала ступень ракеты-носителя со спутниками доставляют на промежуточную круговую орбиту высотой в 200 километров. Затем эту ступень ракеты-носителя переводят на эллиптическую орбиту с высотой в перигее в 200 километров и с высотой в апогее в 19100 километров. После этого переходят на круговую орбиту с высотой 19100 километров. Здесь все три спутника отделяются от ускорительного блока. Один из спутников так и остается в этой системной точке. Остальные два спутника с помощью реактивных двигателей перемещаются в противоположные стороны и выходят в свои системные точки. Вся эта процедура происходит в течение 5-12 витков спутников вокруг Земли. В завершение спутники стабилизируют свою ориентацию относительно Солнца и Земли, а затем начинают работу в операционном режиме.

Оборудование спутника ГЛОНАСС сходно с оборудованием спутника GPS. Имеются три цезиевых стандарта частоты (на спутнике GPS их четыре), работающих с относительной нестабильностью10 ^-13. Номинальное значение частоты колебаний стандарта составляет 5.11 МГц (10,23 МГц в GPS). Эти колебания используют для формирования несущих колебаний и всех сигналов спутников. Колебания, генерируемые стандартами частоты, используют также для формирования временной шкалы спутника. Навигационное сообщение передают с помощью передатчика антенн. Приемник спутника принимает информацию с наземных контрольных станций. Компьютер хранит и обрабатывает различную информацию и управляет работой всех систем спутника. Энергию, необходимую для функционирования спутника, получают и запасают с помощью солнечных батарей и аккумуляторов. Все эти и многие другие блоки сложным образом связаны друг с другом.

Существует разница между спутником ГЛОНАСС и GPS. Кроме перечисленного оборудования, спутник ГЛОНАСС снабжен переизлучателями сигналов наземных радаров и отражателями (триппельпризмами) для отражения сигналов наземных лазерных дальномеров. С помощью радаров измеряют дальности от станций слежения (контрольных станций) доспутников с ошибкой 2-3 метра. Результаты измерений, выполненных с помощью лазерных дальномеров - в оптическом канале, используют для проверки результатов, полученных с помощью радаров - в радиоканале.

Космический сегмент (созвездие) спутников ГЛОНАСС включает также спутники ЭТАЛОН. Такой спутник представляет собой металлическую сферу диаметром 0,6 метра, покрытую отражателями света - триппельпризмами. Движение спутников ЭТАЛОН подчинено исключительно гравитационным силам. Дальности до этих спутников измеряют с помощью наземных лазерных дальномеров. Результаты измерений используют для уточнения моделей поля силы тяжести Земли (на высоте орбит), а также для формирования, предсказания и уточнения эфемерид спутников ГЛОНАСС,

2.1. Структура сигнала спутника

Спутник ГЛОНАСС, так же как и спутник GPS, излучает несущие колебания на двух частотах. В GPS несущие колебания L1 и L2 одинаковы для всех спутников системы, а сигналы спутников отличаются кодами. В ГЛОНАСС ситуация обратная. Коды сигналов всех спутников одинаковы. Сигналы спутников отличаются значениями частот несущих колебаний. Эти частоты лежат в пределах некоторых частотных интервалов.

Несущее колебание первой частоты каждого спутника ГЛОНАССмодулировано по фазе (манипулировано) кодом стандартной точности СТ-кодом. В GPS аналогом является С/А-код. Сейчас переименовали как S-код стандартный код. Кроме того, несущее колебание первой несущей частоты манипулировало кодом высокой точности - ВТ-кодом. В GPS аналогом является Р-код. Тактовая частота СТ-кода равна 511 кГц. Тактовая частота ВТ-кода равна 5,11 МГц. Канал стандартной точности доступен всем пользователям ГЛОНАСС. Канал высокой точности до недавнего времени был доступен только авторизированным пользователям, то есть военным пользователям. Сейчас в этом смысле система открыта для всех пользователей, в том числе и для гражданских пользователей.

Несущее колебание второй частоты модулировано по фазе (манипулировано) только кодом высокой точности. Результаты измерений на первой и второй частотах используют для учета влияния ионосферы дисперсионным методом [5]. Это означает что высокоточную навигацию, до того, как система стала открыта для всех пользователей, могли осуществлять только авторизованные пользователи, имеющие двухчастотные приемники. Планируется, что сигнал второй частоты спутника ГЛОНАСС-М будет модулирован кодом стандартной точности. Это дает дополнительную гарантию того, что сигналы на обеих несущих частотах будут доступны всем пользователям системы без исключения.

Как было сказано, частоты несущих колебаний, излучаемых спутниками, лежат в некоторых частотных интервалах. Конкретные значения частот определяются соотношениями:

L1k = Ll₀ + kЧDLl, L2k = L2₀ + kDL2 (2.1)

Здесь Ll₀ = 1602 МГц; L2₀ = 1246 МГц; DL1 - 562,5 кГц;

DL2 — 437,5 кГц; k = 1,2,...,24 - номер (литера) частотного канала. Для всех частотных каналов k справедливо отношение L2k:Llk - 7:9.

Канал с литерой k = 0 не предназначен и недоступен для пользователей системы. Этот частотный канал используют для управления работой спутников. Альманах системы содержит информацию о распределении частотных каналов между спутниками. Для того, чтобы уменьшить ширину полосы частот, занимаемую системой, спутники, расположенные с обратных сторон Земли - в диаметрально противоположных точках орбиты, - излучают колебания на одних ж тех же несущих частотах; своим излучением они не мешают друг другу.

2.2. Навигационное спутниковое сообщение

Навигационное спутниковое сообщение передают с тактовой частотой в 50 Гц. Это сообщение содержит оперативную навигационную информацию и полный альманах спутникового сегмента.

Оперативная информация включает эфемериды спутника, моменты трансляции временной метки, определенные по часам спутника, поправки временной шкалы спутника относительно временной шкалы системы ГЛОНАСС, а также отличие частот несущих колебаний, излучаемых спутниками, от номинальных значений этих частот. Альманах содержит информацию о состоянии всех спутников системы (альманах состояния), поправки временных шкал всех спутников относительно временной шкалы ГЛОНАСС (альманах фазы), приближенные эфемериды всех спутников (альманах орбит) и поправку временной шкалы ГЛОНАСС относительно шкалы координированного времени UTC(SU). Всю эту навигационную информацию непрерывно транслируют в виде повторяющихся суперкадров.

Все, что описано далее в этом подразделе, разработано специалистами, имеющими высший уровень подготовки в своей области. Поэтому студенты геодезических специальностей не обязаны это осмысливать и запоминать. Вместе с тем, мы сочли необходимым привести эту информацию для того, чтобы она была доступной для пытливого читателя. Это же замечание касается и информации об эфемеридах спутника ГЛОНАСС, приведенной в следующем подразделе.

Объем суперкадра составляет 7500 бит включая 620 бит резерва. Время трансляции суперкадра составляет 2,5 минуты. Суперкадр состоит из пяти кадров одинакового объема. Время трансляции кадра составляет 30 секунд. Каждый кадр содержит 15 строк одинакового объема. Объем каждой строки составляет 100 бит, время трансляции - 2 секунды. Каждая строка в свою очередь разделена на две части. Первая часть строки (85 бит, 1,7 секунды) содержит навигационную информацию. Вторая часть строки (15 бит, 0,3 секунды) содержит контрольные символы для выявления возможных ошибок при декодировании. В конце каждой строки содержится временная метка.

Первые четыре строки каждого кадра содержат всю оперативную информацию о спутнике, транслирующем данное сообщение. Это означает, что полный объем навигационной информации транслируется пять раз в течение передачи суперкадра. Пятая строка каждого кадра содержит служебную информацию. Строки от 6 по 15 каждого кадра содержат часть альманаха системы. Поэтому полный альманах содержится и транслируется в одном суперкадре, то есть повторяется каждые 2,5 минуты. Для сравнения скажем, что в GPS для передачи альманаха системы требуется 12,5 минут.

2.2.1. Эфемериды спутника

Эфемериды спутника ГЛОНАСС и GPS содержат информацию необходимую и достаточную для вычисления мгновенных координат спутника в момент наблюдений. Эфемериды спутника GPS представлены в виде кеплеровых (оскулирующих) элементов орбиты [1,7,9,12,14]. Структура этих эфемерид удобопонятна для более или менее подготовленного читателя. Структура же эфемерид, описанная здесьна основе работы [13] является гораздо более "изощренной", поэтому все, что написано далее в этом подразделе носит справочный, обзорный характер. Студенты не обязаны это осмысливать и запоминать.

Эфемериды спутника ГЛОНАСС содержат следующую информацию. Слово t_k (часы, минуты, секунды) - момент времени, в который началась передача информации о бортовой временной шкале в пределах текущих суток. Слово В_n содержит информацию о статусе (состоянии) спутника. Слово t_b (часы, минуты)передачи оперативной информации о временной шкале UTC(SU)+03h 00m в пределах текущих суток. Слово П1 – признак изменения оперативной информации. Этот признак показывает интервал времени D_t от предшествующего момента t_b (минуты) до действующего момента. Значения П1: 00, 01, 10 и 11 соответствуют следующим значениям t_b: 0 m, 30 m, 45 m и 60 m. Слово П2 - признак изменения. Если этот признак имеет значение «0», то величина b является четной; если этот признак имеет значение «1», то величина b является нечетной. Величина b - это действующая величина временного интервала (30 m или 60 ш). Слово t_b соответствует середине этого временного интервала. Слово ПЗ содержит количество спутников, включенных в альманах. Если этот признак имеет значение «0», то альманах содержит информацию о четырех спутниках. Если этот признак имеет значение «1», то альманах содержит информацию о пяти спутниках. Слово g_n(t_b) - относительная величина отклонения частоты несущего колебания от ее номинального значения в момент t_b. Слово t_n(t_b)-поправка бортовой временной шкалы спутника относительно временной шкалы системы.

Слова X_n(t_b),Y_n(t_b),Z_n(t_b)- составляющие вектора координат спутника с номером n в системе координат ПЗ-90 в момент времени t_b. Слова X_n^'(t_b),Y_n^',Z_n^'(t_b)- составляющие вектора скорости с номером n в системе координат ПЗ-90 в момент времени t_b. Слова X_n^"(t_b),Y_n^",Z_n^"(t_b)-составляющие вектора ускорения спутника с номером n в системе координат ПЗ-90 в момент времени t_b, вызванного притяжением Луны и Солнца. Слово En (СУТКИ) - возраст оперативной информации. Он представляет собой интервал времени с момента последней закладки навигационной информации до момента t_b

2.2.2. Координаты спутника

Координаты спутника в момент наблюдений вычисляют путем численного интегрирования системы дифференциальных уравнений описывающих движение спутника [12]. Помимо силы притяжения Земли, на движение спутника действуют и другие силы. При интегрировании принимают во внимание воздействие следующих возмущающих сил: влияние полярного сжатия Земли, притяжение Луны и Солнца. Полярное сжатие характеризуют коэффициентом С₂₂ гармонической модели поля силы тяжести Земли.

Ошибки координат и ошибки составляющих вектора скорости спутников имеют следующий порядок величин [13]. Составляющие вдоль орбиты: 20 м и 0,05 см/сек. Радиальные составляющие: 5 м и 0,03 см/сек. Трансверсальные составляющие: 10 м и 0,10 см/сек.

3. Спутниковая система GALILEO

При написании этого раздела использованы следующие работы: [11,16,17]. Кроме того, использованы публикации в журнале Galileo's World.

Программа GALILEO - это результат совместной разработки Европейской Комиссии (European Commission - ЕС) и Европейского Космического Агентства (European Space Agency - ESA). Предполагают, что созданная в результате спутниковая система GALILEO будет представлять собой некий образец гражданской навигационной спутниковой системы. Напомним, что ГЛОНАСС и GPS находятся под управлением соответствующих военных ведомств. Будет существовать полная совместимость между GALILEO и уже существующими спутниковыми системами ГЛОНАСС и GPS. Программа GALILEO на настоящий период времени не осуществлена до конца. Ее только еще разрабатывают. В процессе практической реализации в соответствующую спутниковую систему разработчики и исполнители программы могут внести изменения, в том числе и изменения существенные. Поэтому не будем детально описывать еще не существующую спутниковую систему.

3.1. Космический сегмент

Космический сегмент (созвездие) GALILEO будет содержать 30 спутников, расположенных на земных орбитах средних высот (Medium Earth Orbit - МЕО). Высота орбит спутников над поверхностью Земли будет составлять около 23,2 тысячи километров. Высота орбит спутников выбрана таким образом, чтобы избежать воздействия на орбитальное движение спутников гравитационных резонансов. Поэтому имеется надежда на то, что в течение всего периода жизни спутника не понадобится корректировать орбитальное движение спутника. В ГЛОНАСС такой подход задуман и реализован изначально.

Из тридцати спутников три спутника будут "свободными". Эти свободные спутники будут принадлежать к так называемому созвездию "путников"(walker). Каждый такой свободный (запасной) спутник - так же как и каждый основной (рабочий, операционный) спутник - будет транслировать сигналы времени, эфемериды и другие данные. Свободный спутник необходим для страховки операционного спутника. Если случится отказ какого - либо операционного спутника, то можно будет быстро восстановить работу системы спутников путем перемещения свободного спутника на место отказавшего опе­рационного спутника.

Созвездие спутников GALILEO проектировали таким образом, чтобы это созвездие отвечало следующим требованиям. Спутники, как в ГЛОНАСС, расположены на трех круговых орбитах. Высота орбиты спутника над поверхностью Земли составляет 23222 километра. Наклон плоскости орбит спутников к плоскости экватора составляет 56°.Спутники равномерно (равноудаленно) распределены в трех орбитальных плоскостях. В каждой орбитальной плоскости равномерно распределены девять операционных спутников. В плоскости каждой орбиты находится также еще один свободный дополнительный спутник.

3.2. Спутник

Спутник GALILEO имеет массу 700 килограммов. Мощность излучаемого сигнала составляет 1600 ватт. Радиосигналы излучаются на десяти частотах, лежащих в L - полосе, то есть, от 1200 до1600 МГц. Поверхности солнечных панелей спутника повернуты в сторону Солнца. Антенны спутника направлены в сторону Земли. Спутник имеет следующие размеры, выраженные в метрах 2,7x1,1x1,2, а развернутые в рабочее состояние солнечные панели имеют в длину 13 метров.

"Сердцем" спутника являются главные (master) часы. Эти атомные часы построены на основе водородного мазера. Другими словами, эти часы используют сверхстабильный, на уровне относительной ошибки 10^-14, переход на частоте 1.4ГГц в атоме водорода. Эти часы позволяют в течение полусуток хранить время с ошибкой, не превышающей 0,45 наносекунды (0,45Ч10^-9 секунды). Если вдруг случится такое, что главные (водородные) часы дадут сбой, то сразу будут задействованы рубидиевые часы. Ошибка в работе рубидиевых часов в течение полусуток составляет 1.8 наносекунды.

На каждом спутнике будут установлены двое часов, работающих на основе водородных мазеров, и двое рубидиевых часов. В каждый текущий интервал времени действуют только одни водородные часы. В нормальных (штатных) условиях задействованные в настоящий период времени водородные часы генерируют колебания опорной частоты, на основе которых спутник генерирует навигационный сигнал. Если же водородные часы, как было сказано, дадут сбой, то к работе немедленно приступят рубидиевые часы. Если проблема с главными (master) водородными часами окажется трудно устранимой, то в течение нескольких суток в действие вступит второй водородный стандарт частоты и времени. При этом спутник будет полностью работоспособен. Затем рубидиевые часы вновь переходят в режим ожидания.

Блок, контролирующий работу водородных и рубидиевых часов и управляющий работой этих часов, представляет собой интерфейс между часами и блоком, генерирующим навигационный сигнал (navigation signal generator unit - NSU). Этот блок ответствен за то, чтобы колебания, генерируемые главными часами спутниковой системы, и колебания часов спутника, работающих в данный период времени, оставались бы фазированными в случае, если главные часы дадут сбой. Этот же блок при необходимости задействует запасные рубидиевые часы. Подчеркнем, что в системе GALILEO, так же, как в ГЛОНАСС, и в отличие от GPS, контролируют не только синхронность, но и синфазность колебаний.

Бортовой компьютер контролирует работу спутника и управляет функционированием всех его систем.

Передатчики и антенна, работающие в L - радиополосе частот, передают несущие кодированные сигналы на радиочастотах, лежащих в полосе 1,2 - 1,6 ГГц (слегка превышая верхний предел).

Здесь полезно дать справку о частотных полосах (диапазонах). Р-полоса лежит в интервале от 270 до 1000 МГц. L-полоса лежит в интервале от 1215 до 1400 МГц. S-полоса лежит в интервалах от 2300 до 2660 МГц и от 2700 до 3700 МГц. С-полоса лежит в интервале от 5255 до 5925 МГц. Х-полоса лежит в пределах от 8500 до 10700 МГц. Приемник и антенна принимают от наземных станций загрузки информации сигналы, содержащие данные о всей системе GALILEO Эти сигналы содержат данные, необходимые для того, чтобы синхронизировать работу бортовых часов спутников с наземными опорными часами, а также данные об "интегральности" (integrity). Состав данных об интегральности содержит информацию об исправности каждого блока спутника и о правильном взаимодействии всех этих блоков Информацию об интегральности включают в навигационное сообщение и транслируют эту информацию пользователю.

Два передатчика и две антенны спутника представляют собой часть управляющей и контролирующей (command) подсистемы GALILEO. Эта часть системы GALILEO выполняет функции определения эфемерид спутников и функцию телеметрии. Эти передатчики и антенны спутника транслируют на наземные станции управления и контроля имеющиеся на борту спутника данные о состоянии расположенных на спутнике систем.

Получив эту информацию, наземные станции принимают от главной станции управления и контроля соответствующие команды и выполняют их. Тем самым наземные станции управляют работой каждого спутника системы и всей системой в целом. Передатчики и антенны спутников также принимают, обрабатывают и транслируют

дальномерные сигналы, предназначенные для измерения кодовых псевдодальностей.

Отражатели лазерного излучения предназначены для работы с лазерным дальномером, установленным на наземной станции слежения и дляизмерения дальности с ошибкой в несколько сантиметров.

Приемник и антенна S&R (search and rescue - поиск и спасение) принимают сообщения от наземных радиоисточников обаварийных ситуациях и передает эти сигналы на соответствующую наземную станцию. В результате задействуют местные службы спасения.

Генератор навигационного сигнала в качестве входного колебания использует колебание, поступающее от блока, контролирующего работу действующих часов и управляющего работой этих часов. Кроме того, используют навигационные данные и данные об интегральности, полученные с антенны и приемника спутника. Навигационные сигналы транслируют пользователю.

Блок управления (remote terminal unit)выполняет функции интерфейса между основными блоками и бортовым компьютером спутника.

Гироскопы оценивают ориентацию спутника в пространстве и управляют работой "реактивных колес"(reaction wheels). Эти колеса, при необходимости, изменяют ориентацию спутника.

Блок регулирования и распределения энергии(power conditioning and distribution unit) регулирует, контролирует, распределяет и направляет поток энергии от солнечных панелей и от аккумуляторов во все подсистемы спутника.

3.3. Сигналы спутника

Как было сказано, каждый спутник GALILEO будет излучать колебания на нескольких частотах. Планируется, что таких частот будет десять. В отличие от существующих спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS будет сделано различие между сигналами, содержащими навигационные данные (каналы информации, кодированные колебания) и между другими, дополнительными каналами. Колебания, передаваемые по этим дополнительным (пилотным, пробным) каналам, вообще не будут нести никакой информации. Другими словами, спутник будет передавать помимо кодированного сигнала еще и просто гармонические (синусоидальные) колебания для выполнения чисто геодезических фазовых измерений. Другой причиной, по которой в GALILEO использует столь много колебаний разных частот, является то, что это позволяет приемнику оценить задержку сигнала в ионосфере, а также без особых проблем разрешать многозначность результатов фазовых измерений.

В GALILEO применен вид модуляции навигационных сигналов, присущий только этой спутниковой системе. Форма модуляции подобрана таким образом, чтобы избежать взаимных помех (interference - взаимодействия, интерференции) с сигналами других навигационных спутниковых систем, излучаемых в той же полосе частот. И тем не менее, сигнал лежит в той же полосе частот, что и GPS.Созданную таким особым образом модуляцию называют ВОС, что расшифровывают как Binary (двоичный, бинарный) Offset Carrier of rate (сдвиг несущего колебания по частоте), В дополнение к фазовой манипуляции сигнала, излучаемого спутником, несущие колебания подвергают еще и двоичной частотной модуляции. Такой тип модуляции, как только что было сказано, позволяет сигналам спутников GPS и GALILEO занимать одну и ту же полосу частот и в тоже время избегать взаимных помех.

Литература

1. Баранов В.Н., Бойко Е Г., Краснокрылов И.И. и др. Космическая геодезия. М., Недра. 1986. 407 с.

2. Галазин В.Ф., Каплан Б.Л. и др. Система геодезических параметров Земли "Параметры Земли 1990 года" (ПЗ-90). Под общей редакцией Хвостова В.В. М., Координационный научно – информационный центр. 1998. 40с.

3. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П. Радиогеодезические и электрооптические измерения. М., Недра. 1985. 303с

4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. Редакция 5.0. М., Координационный научно-информационный центр. 2002. 57 с.

5. Голубев А.Н. Глобальные спутниковые навигационно - геодезические системы. Основные принципы устройства и работы. М., МИИГАиК. 2003. 66 с.

6. Голубев А.Н. Основы геотроники. Электронные методы и средства геодезических измерений. М., МИИГАиК. 2003. 87 с.

7. Глушков В.В., Насретдинов К.К., Шаравин А.А. Космическая геодезия: методы и перспективы развития. М., Национальная картографическая корпорация. 2002. 444 с.

8. Жуков А.В., Серапинас Б.Б. Практикум по спутниковому позиционированию. М., Издательство московского государственного

университета. 2002. 119 с.

9. Серапинас Б.Б. Основы спутникового позиционирования. М., Издательство московского университета. 1998. 82 с.

10. Серапинас Б.Б. Геодезические основы карт. М., 2001. 132 с. 11.

11. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. М., ЭКО-ТРЕНДЗ. 2003. 326 с.

12. Урмаев М.С. Орбитальные методы космической геодезии. М., Недра. 1981. 256 с.

13. Харисов В.Н. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М., ИПРЖР. 1999.

14. Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. Наземные и спутниковые радиоэлектронные средства и методы выполнения геодезических работ. М., МИИГАиК. 2001. 136 с.

15. Global satellite navigation system GLONASS/ Interfaca control document. Moscow. Military Spase Forses RF. 1995.

16. EC - EuropeanCommission. http://europa.eu.int/comm/dgs/energy_transport/galileo/

17. ESA - European Space Agency. http://www.esa.int/Galileo

Содержание

Введение............................................................................. 3

1. Структура ГЛОНАСС................................................... 4

1.1. Спутниковый сегмент.................................................. 5

1.2. Сегмент управления и контроля................................ 6

1.3. Сегмент пользователя................................................. 8

2.Спутники ГЛОНАСС...................................................... 9

2.1. Структура сигнала спутника...................................... 10

2.2. Навигационное спутниковое сообщение.................... 11

2.2.1. Эфемериды спутника............................................... 12

2.2.2. Координаты спутника.............................................. 14

3. Спутниковая система GALILEO.................................... 14

3.1. Космический сегмент.................................................. 14

3.2. Спутник....................................................................... 15

3.3. Сигналы спутника....................................................... 18

Литература......................................................................... 19

Дата добавления: 2015-10-21