Глобальная навигационная спутниковая система GPS

О системе GPS

История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 г., когда Управление совместных программ, входящее в состав Центра космических и ракетных исследований США, получило указание Министерства обороны США разработать, испытать и развернуть навигационную систему космического базирования. Результатом данной работы стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with Time And Ranging), из которого прямо следовало, что система предназначена для решения двух главных задач – навигации, т. е. определения мгновенного положения и скорости потребителей, и синхронизации шкал времени. Поскольку инициатором создания GPS являлось Министерство обороны США, то в качестве первоочередных задач предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности. Отсюда ещё одно раннее название системы – оборонительная система спутниковой навигации (Defense Navigation Satellite System – DNSS).

Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, и уже в 1974 году фирма Rockwell получила заказ на изготовление первых восьми космических аппаратов (КА) Block I для создания демонстрационной системы. Первый КА был запущен 22 февраля 1978, и в том же году Rockwell получила контракт на создание ещё четырёх КА.

Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS будет насчитывать 24 КА в трёх орбитальных плоскостях высотой 20200 км и наклонением 63°. К моменту начала серийного производства в 1989 году космических аппаратов модификации Block II было принято решение об изменении параметров орбиты GPS, в частности, наклонение было изменено на 55°, а количество орбитальных плоскостей увеличено до 6.

Выделяют два важных этапа развёртывания системы GPS – фазу первоначальной работоспособности (IOC) и фазу полной работоспособности (FOC). Этап IOC начался в 1993 году, когда в составе орбитальной группировки насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых к использованию по целевому назначению. Переход в режим FOC состоялся в июле 1995, после завершения всех лётных испытаний, хотя фактически система начала предоставлять услуги в полном объеме с марта 1994 года. Таким образом, GPS является полностью работоспособной уже в течение более чем двух десятилетий, при этом на протяжении всей своей истории GPS постоянно модернизировалась с целью удовлетворения требований различных категорий как гражданских, так и военных потребителей.

При проектировании GPS предполагалось, что точность навигационных определений при использовании C/A-кода будет в пределах 400 м. Реальная точность измерений по C/A-коду оказалась в 10 и более раз выше – 15-40 м (СКО) по координатам и доли метра в секунду по скорости. Возможность получения такой точности измерений с помощью несложной коммерческой АП вызвала в США опасения, что сигналы GPS могут быть использованы потенциальным противником, в том числе в системах высокоточного оружия. В качестве защитной меры, начиная с космического аппарата Block II, в GPS были реализованы два метода преднамеренной деградации (загрубления) точности навигационно-временного обеспечения гражданских потребителей – селективный доступ и одновременно принятые меры по защите от так называемых уводящих помех. Деактивация режима селективного доступа была осуществлена 2 мая 2000 г. около 4:00 (UT). Точность автономной навигации возросла почти в 10 раз, что дало гигантский импульс к развитию прикладных навигационных технологий.

Текущий третий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство космических аппаратов следующего поколения Block III, которые в сочетании с усовершенствованным наземным комплексом управления и навигационной аппаратурой потребителей обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности координатно-временного и навигационного обеспечения.

История развития GPS

Услуги системы GPS

Система GPS предоставляет два вида услуг:

  • услугу стандартного позиционирования (Standard Positioning Service – SPS) , доступную для всех потребителей,
  • услугу точного позиционирования (Precise Positioning Service – PPS) , доступную для санкционированных потребителей.

Каждый космический аппарат излучает навигационные сигналы на нескольких несущих частотах. Квадратурные составляющие сигналов, передаваемых на каждой из несущих частот, подвергаются фазовой манипуляции различными дальномерными псевдослучайными последовательностями (ПСП). Структура некоторых из этих ПСП опубликована, соответственно данный сигнал может приниматься всеми потребителями. Структура другой части ПСП закрыта, поэтому данный сигнал доступен для приёма только санкционированным потребителям, которым структура ПСП известна.

Услуга стандартного позиционирования SPS и временной синхронизации доступна для всех категорий потребителей безвозмездно и глобально и реализуется посредством излучения всеми космическими аппаратами GPS навигационных радиосигналов, модулированных дальномерным кодом C/A (Coarse/Acquisition – грубый приём). Код C/A представляет собой ПСП Голда длительностью 1 023 символа с тактовой частотой 1,023 МГц. Таким образом, ПСП C/A-кода имеет период повторения T = 1 мс, что соответствует интервалу однозначного измерения псевдодальности около 300 км. Программа развития GPS предусматривает предоставление гражданским потребителям услуги SPS с помощью сигналов L2C, L5 и L1C.

Услуга точного позиционирования PPS реализуется посредством излучения всеми космическими аппаратами орбитальной группировки GPS навигационных радиосигналов в диапазонах L1 и L2, модулированных дальномерным P(Y)-кодом. Услуга PPS предназначена для использования исключительно вооружёнными силами США, федеральными агентствами США и вооружёнными силами некоторых союзников.

Орбитальная группировка

Штатная орбитальная группировка GPS состоит из 24 основных космических аппаратов, расположенных на шести круговых орбитах, обозначаемых латинскими буквами от A до F. Дополнительно на некоторых орбитах может находиться один или два резервных КА, предназначенных для сохранения параметров системы при выходе из строя основных КА. Наклонение орбитальных плоскостей 55°, долготы восходящих узлов различаются на 60°. Высоте орбит 20 200 км соответствует период обращения 11 ч 58 мин, т. е. орбиты космических аппаратов GPS являются синхронными.

Орбитальная группировка GPS
ОРБИТАЛЬНАЯ ГРУППИРОВКА GPS
КОЛИЧЕСТВО ШТАТНЫХ КА 24
ВЫСОТА ОРБИТЫ 20 200 км
КОЛИЧЕСТВО ПЛОСКОСТЕЙ 6
БОЛЬШАЯ ПОЛУОСЬ 26 560 км
ПЕРИОД 11 ч 58 мин
НАКЛОНЕНИЕ 55°

Текущее состояние ОГ GPS

Типы космических аппаратов

В настоящее время восполнение орбитальной группировки осуществляется запуском космических аппаратов Block IIF («F» – follow on – продолжение). В соответствии с действующими планами КА Block IIF должны сменить на орбите КА Block IIA, КА Block III придут на смену Block IIR («R» – replacement – замена).

Основной задачей КА Block III является предоставление навигационных услуг с помощью нового навигационного радиосигнала L1C и повышение точности эфемеридно-временной информации, доступности навигационного радиосигнала, мощности излучения, а также увеличение срока активного существования.

Характеристики
КА GPS BLOCK IIA
КА GPS BLOCK IIR
КА GPS BLOCK IIR-M
КА GPS BLOCK IIF
КА GPS BLOCK III
Головной подрядчик Rockwell International Lockheed Martin Lockheed Martin Boeing Lockheed Martin
Срок активного существования 7,5 лет 10 лет 10 лет 12 лет 15 лет
Масса на орбите, кг 985 1126,7 1126,7 1465,1 2161
Габариты, м 1,58×1,96×2,21 2,49×2,03×2,24 2,46×1,78×3,40
Солнечные батареи 2 кремниевые панели мощностью 710 Вт 2 кремниевые панели мощностью 1040 Вт 2 кремниевые панели мощностью 1040 Вт 3 трехпереходные арсенид-галлиевые мощностью 1900 Вт 2 ультра трехпереходные (UTJ) мощностью 4480 Вт
Аккумуляторные батареи 3 никель-кадмиевые 2 никель-водородные перезаряжаемые 2 никель-водородные перезаряжаемые никель-водородные перезаряжаемые 2 никель-водородные перезаряжаемые
Сигналы L1 C/A
L1/2 P(Y)
L1 C/A
L1/2 P(Y)
L1 C/A
L1/2 P(Y)
L2C
L1/2 M-Code
L1 C/A
L1/2 P(Y)
L5I
L5Q
L1M
L2M
L2C
L1 C/A
L1P(Y)
L1C
L2C
L2M
L5
L1/2 M-Code
БСУ 2 Rb, 2 Cs 3 Rb 3 Rb 2 Rb, 1 Cs 3 Rb

Навигационные радиосигналы

Спектр навигационных радиосигналов системы GPS
Характеристики навигационных радиосигналов системы GPS
Диапазон Несущая частота, МГц Сигнал Длительность
кода ПСП, символы
Тактовая частота, МГц Вид модуляции Скорость
передачи ЦИ,
БИТ/С
L1 1 575,42 C/A
P
M
L1CD
L1CP
1 023
~ 7 дней
нет данных
10 230
10 230·1 800
1,023
10,23
5,115
1,023
1,023
BPSK
BPSK
ВОС(10, 5)
ВОС(1,1)
ТМВОС(6, 1, 1/11)
50/50
50/50
нет данных
100/50
пилот-сигнал
L2 1 227,6 P
L2C
M
~ 7 дней
М: 10 230
L: 767 250
нет данных
10,23
1,023
5,115
BPSK
BPSK
ВОС(10, 5)
50/50
50/25
нет данных
L5 1 176,45 L5I
L5Q
10 230·10
10 230·20
10,23
10,23
BPSK
BPSK
100/50
пилот-сигнал


СТРУКТУРА ЦИ НАВИГАЦИОННЫХ РАДИОСИГНАЛОВ СИСТЕМЫ GPS

Внедрение новых навигационных сигналов GPS сопровождается совершенствованием структуры цифровой информации и применением новых видов модуляции, а также переходом от структуры навигационного сообщения типа NAV на структуры типа CNAV и CNAV-2.

Навигационные сообщение типа CNAV являются усовершенствованными версиями навигационного сообщения NAV, позволяющие точнее передавать оперативную и неоперативную информацию о состоянии GPS. В навигационном сообщении CNAV содержится информация того же типа, что и в сообщении NAV (текущее время, признаки состояния КА, эфемеридно-временная информация, альманах системы и т.п.), однако эта информация передается в новом формате. Вместо использования архитектуры суперкадров/кадров сообщение передается в виде пакетов различной длительности. Наиболее существенными изменениями структуры CNAV являются расширение количества космических аппаратов используемых по целевому назначению с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой менее 6 с.

Система координат и шкала времени

Система координат

В GPS используется Всемирная геодезическая система 1984 года (World Geodetic System – WGS-84). Очередное уточнение параметров системы WGS-84 (G1678) состоялось в 2012 году, при этом расхождения между действующей системой WGS-84 и ITRF 2008 составляет величину порядка 1 см, т. е. обе системы являются фактически идентичными.

Параметры земного эллипсоида системы WGS-84
Параметр Значение
Большая полуось a, м 6 378 137, 0
Параметр сжатия эллипсоида 1/298,257223563
Угловая скорость вращения Земли ω, рад/с 7 292 115 * 10-11
Гравитационная постоянная Земли, м32 2 986 004,418 * 10-8

Система времени

Системное время GPS связано с координированным всемирным временем (UTC) в соответствии с наблюдениями морской обсерватории США (USNO). Номинально шкала времени GPS имеет постоянное, равное 19 с, расхождение с международным атомным временем TAI. Отсчёт времени ведётся в неделях GPS и секундах в рамках текущей недели, начало отсчёта – 00 ч 00 мин 06.01.1980. В системе GPS номер недели записывается с помощью 10-разрядного двоичного числа, максимальное значение номера недели равно 1 023. Нулевой номер недели повторился в полночь с 21 на 22 августа 1999 г.

Наземный комплекс управления

Управление орбитальной группировкой GPS осуществляет 2-ая оперативная космическая эскадрилья Космического командования ВВС США. В настоящее время управление орбитальной группировкой GPS осуществляет наземный комплекс управления 2 поколения (Operational Control Segment - OCS), который включает в себя:

Главный центр управления системой GPS на базе ВВС Шривер
 
Резервный центр управления системой GPS
 
Станции мониторинга Национального агентства геопространственной разведки
 
Глобальную сеть закладочно-измерительных станций
 
Станции мониторинга GPS ВВС США
 
Запросные станции GPS L-диапазона


Наземный комплекс управления GPS

Наземный комплекс управления GPS реализует беззапросную технологию эфемеридно-временного обеспечения. Глобальная сеть командно-измерительных станций позволяет производить закладку информации на борт с периодичностью 4 - 6 ч.

Интерфейсный контрольный документ

Интерфейсный контрольный документ GPS: www.gps.gov/technical/icwg/

Официальный сайт

Официальный сайт системы GPS: www.gps.gov

Пользовательский информационный центр GPS: www.navcen.uscg.gov