1.7. АМЕРИКАНСКАЯ СЕТЕВАЯ СПУТНИКОВАЯ РНС «НАВСТАР»

Сетевая спутниковая РНС «Навстар» (в настоящее время чаще именуемая GPS) разрабатывалась так же, как и система «Глонасс», в 70-е годы на основе предшествующего опыта эксплуатации низкоорбитной СРНС «Транзит». Запуск первого экспериментального спутника серии «Навстар» состоялся в 1978 г., и к концу 1988 г. эта спутниковая система практически одновременно с системой «Глонасс» вступила в предэксплуатационную фазу своего развития, располагая сетью из семи НИСЗ. В 1991 г. сеть увеличилась до 16 НИСЗ. Предполагается развить ее до полного состава к 1995 г., после чего перейти к нормальному штатному использованию.

Рис. 1.7. Структура спутниковой РНС «Навстар»

Структура системы «Навстар» иллюстрируется рис. 1.7. В его верхней части показано используемое созвездие НИСЗ, внизу справа изображены средства наземного командно-измерительного комплекса, а слева представлены возможные потребители навигационно-временной информации.

Сеть НИСЗ первоначально предполагалось построить из 24 спутников, однако затем из экономических соображений перешли

Рис. 1.8. Полностью развернутая сеть спутников системы «Навстар»

к усеченному варианту из 18 рабочих и 3 резервных спутников. Такая сеть не гарантирует глобальных трехкоординатных высокоточных НО в любой момент времени. Особенностью сети является размещение спутников на шести орбитах, по три-четыре спутника на каждой. Представление -спутниковой сети «Навстар» дает рис. 1.8, из которого можно понять, что шесть круговых орбит высотой около распределены своими узлами равномерно в экваториальной плоскости. К 1991 г. от усеченного варианта вернулись к -спутниковой сети с включением в нее трех резервных НИСЗ. План такой полностью развитой сети НИСЗ показан на рис. 1.9, где видно, что в каждой плоскости всего по четыре спутника, причем в первой, третьей и пятой плоскостях установлено по одному резервному спутнику, подготовленному к переводу при необходимости в рабочий режим [226].

Каждый спутник системы излучает два кода: легко обнаруживаемый С/А, предназначенный для гражданских потребителей, и защищенный используемый военными потребителями.

Оба кода передаются на общей частоте (длина волны ), но двумя несущими, сдвинутыми на для удобства их разделения. Коды когерентны и согласованы по времени, они используются для измерений. Для передачи служебной информации применяется двоичный код D (date - данные), которым модулируются обе несущие. На предэксплуатационной фазе развития системы «Навстар» ее разработчики для борьбы с уводящими помехами решили применять также код обладающий криптостойкостью [226].

Для исключения ионосферной ошибки применяется -частот-ный способ измерений (см. гл. 5). В связи с этим наряду с частотой предусмотрена когерентная ей частота , которая тоже модулируется точным измерительным кодом а также кодом служебной информации

Гражданские П, не требующие высокой точности определения параметров движения, ограничиваются приемом одной квадратурной составляющей частоты с кодом С/А, который и

Рис. 1.9. План распределения спутников «Навстар» по плоскостям

используется для измерений. Для высокоточных определений по ключу, содержащемуся в служебной информации кода С/А, определяется фаза кода что и позволяет войти в слежение за ним и произвести соответствующие измерения.

Непрерывно излучаемые коды С/А и формируются с использованием фазовой манипуляции несущих частот соответственно на . Сигнал кода С/А формируется по закону псевдослучайной последовательности (ПСП) с периодом и тактовой частотой а сигнал кода по закону ПСП с периодом около 7 суток и тактовой частотой Подробнее структура и характеристики сигнала системы «Навстар» приведены в гл. 4.

Способ разделения сигналов различных спутников системы — кодовый. Коды формируются двумя генераторами ПСП, причем выбор начального состояния регистра сдвига одного из кодов придает образуемой кодовой последовательности данного спутника индивидуальную окраску. Из большого числа возможных состояний выбирают всего 37, которые порождают коды с хорошими взаимокорреляционными свойствами. Таким образом, появляется возможность идентифицировать по коду все спутники системы, одновременно применяемое число которых составляет 24. Имеется различие в формировании кодов С/А и о чем подробнее излагается в гл. 4. Отметим здесь лишь то, что порождающий полином одной из составляющих кода не раскрывается заранее публично, что делает невозможным обнаружение соответствующего сигнала теми потребителями, которые не имеют санкции на высокоточные НО и поэтому не располагают информацией о текущей фазе столь длинного, семидневного кода. Имеется и иной способ засекречивания сигнала кода перед поступлением на модулятор передатчика сформированный код проходит через устройство засекречивания с нелинейной логической операцией, что оказывается эквивалентным получению некоторого другого кода ПСП, период которого становится во много раз больше исходного. Все это затрудняет раскрытие структуры сигнала кода

В аппаратуре потребителей измеряются псевдодальность по оценке задержки огибающей ПСП и радиальная псевдоскорость по оценке доплеровского смещения Частоты несущей. В сигналы кодов закладывается соответствующий массив служебной информации, содержащий эфемериды, альманах, частотно-временные поправки, метки времени, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры. По результатам измерений при использовании служебной информации решается навигационно-временная задача.

В одном кадре навигационного сигнала (рис. 1.10) передается всего 1/25 альманаха. Поэтому для сбора полного альманаха требуется прием 25 кадров, совокупность которых по

Рис. 1.10. Структура кадра навигационного сигнала системы «Навстар»

существу образует суперкадр длительностью 12,5 мин. В пяти блоках кадра заключен объем распределенный по 50 словам длиной по каждое. Если считать, что полный объем неоперативной информации распределен по 25 кадрам, то объем образующегося суперкадра составит Объем передаваемой в кадре информации может меняться, так как предусмотрен резерв. Подробнее о структуре и содержании кадра навигационного сигнала системы «Навстар» см. в гл. 10.

Работу наземного КИК системы «Навстар» можно проследить по рис. 1.7, где показаны четыре НИСЗ, используемые в навигационном сеансе, и средства КИК. Наземный КИК содержит в своем составе координационно-вычислительный центр (КВЦ), командно-измерительную станцию (КИС), несколько станций слежения (СС) и станцию закладки служебной информации (СЗСИ).

Станции слежения предназначены для пассивных траекторных измерений орбитальных параметров всех НИСЗ. Такие станции стараются разнести по широте и долготе. Например, в рассматриваемом комплексе используются четыре СС, размещенные на Аляске, в Калифорнии, на Гавайских островах и на острове Гуам. Эти станции представляют собой автоматизированные измерительные пункты, данные от которых транслируются в КВЦ. Каждая СС состоит из -канального приемоизмерителя (подобного аппаратуре атомного стандарта частоты, датчиков атмосферных параметров и микропроцессорной ЭВМ. Приемоизмеритель фиксирует псевдодальность и приращение псевдодальности (интеграл от доплеровской частоты) относительно фазы и частоты колебаний местного атомного стандарта для каждого из НИСЗ, используя их широкополосные сигналы, а также выделяет соответствующую служебную информацию. Датчики собирают местную метеоинформацию, необходимую для

последующего расчета поправок на тропосферную задержку сигнала. ЭВМ контролирует собираемую информацию и обеспечивает обмен с КВЦ. Все полученные на станции слежения данные оперативно запоминаются и по запросу КВЦ ретранслируются в КВЦ для посукдующей обработки.

Станция закладки служебной информации (СЗСИ) осуществляет передачу на борт каждого НИСЗ массива служебной информации, подготовленного в КВЦ. Достоверность закладки контролируется по каналу обратной связи, для чего используются телеметрические слова из кадра сигнала НИСЗ.

Командно-измерительная станция реализует телеметрический контроль за работой бортовых систем НИСЗ, проводит запросные траекторные измерения, в том числе с использованием высокоточных лазерных средств, и обеспечивает командное управление. Станция ведет обмен информацией с КВЦ. Поскольку необходима высокая надежность процесса закладки, служебной информации, на случай выхода из строя СЗСИ предусмотрена возможность использования КИС для передачи на борт каждого НИСЗ подготовленного в КВЦ для него массива служебной информации.

КВЦ организует работу всех средств КИК и управляет ими. На центре проводятся расчеты, необходимые для определения орбит всех НИСЗ и их краткосрочного и долгосрочного прогноза, для определения смещений спутниковых временных шкал относительно системного времени и прогноза их дальнейших уходов, для формирования массивов служебной информации. Здесь же компонуется содержание массива служебной информации для каждого из НИСЗ, а также ведется запись информации, содержащейся в бортовых навигационных процессорах каждого из НИСЗ, и фиксация состояния его аппаратуры.