Чи не в сукупності шукай єдності, але більш - в однаковості поділу.
Козьма Прутков.
«Плоди роздуми»
Найчастіше в основі навіть найскладніших систем лежать досить прості ідеї. Системи супутникової радіонавігації не виняток. Розглянемо кілька основних ідей.
А - местоопределение по відстані до супутників. Знаючи координати навігаційних супутників і вміючи вимірювати відстань до них, визначити координати спостерігача - справа техніки. Наприклад, якщо ми знаємо, що від нас до навігаційного супутника, скажімо, 11 тис. Км, то це означає, що ми знаходимося десь на уявній сфері радіусом в 11 тис. Км з центром, що збігається з цим супутником. Якщо одночасно з цим відстань до іншого супутника складає 12 тис. Км, то наше місце розташування буде десь на колі, що є перетином двох таких сфер. І, нарешті, знання дальності до третього супутника скоротить кількість можливих точок нашого місцезнаходження до двох, одна з яких буде знаходитися десь далеко в космосі (і ми її відкидаємо), а інша - на землі, поруч з нами.
Б - вимір відстані до супутника. Шкільна істина свідчить: «відстань є швидкість, помножена на час руху». Навігаційний приймач так і працює. Він вимірює час, за який радіосигнал доходить від супутника до нас, а потім з цього часу обчислює відстань. Головними труднощами при вимірюванні часу проходження радіосигналу є точне виділення моменту його передачі з супутника. Для цього на супутнику і в приймачі в один і той же час генерується одна і та ж кодова послідовність. Тепер залишається тільки порівняти час їх неузгодженості, помножити його на швидкість поширення радіохвиль, і, здавалося б, справа в капелюсі. Однак якщо супутник і приймач мають розбіжність тимчасових шкал лише в одну соту секунди, то помилка виміру відстані складе близько 3 тис. Км!
В - досконала тимчасова прив'язка. Щоб уникнути таких помилок, на супутнику встановлюють атомний годинник, точність яких складає наносекунди, а вартість - сотню тисяч доларів. Мати такий самий годинник в приймачі - занадто дороге задоволення. Однак можна обійтися і простими годинами, якщо вимірювати дальність не до трьох, а до чотирьох супутників. В цьому випадку чотири неточних вимірювання (з «засмученими» годинами) дозволяють виключити відносний зсув шкали часу приймача. І ось яким чином. Припустимо, годинник приймача недосконалі, що не звірені з єдиним часом навігаційної системи і відстають від нього, наприклад, на півсекунди. Якщо виміряти час проходження сигналу від чотирьох супутників і отримати несправжні або псевдо до них, то виявиться, що уявні сфери з радіусами, відповідними цим псевдо, не перетинаються в одній точці. Тоді для уточнення дальностей комп'ютер приймача додає до всіх вимірів (або віднімає) деякий один і той же інтервал часу до тих пір, поки не знайде рішення, при якому всі чотири уявні сфери перетинаються в одній точці.
Г - визначення положення супутника в космічному просторі. Щоб все вищевикладене успішно виконувалося, необхідно точно знати місце розташування кожного навігаційного супутника. Для цього, по-перше, супутники запускають на високі орбіти (близько 20 тис. Км), де рух стабільно і прогнозовано з великою точністю. А по-друге, незначні зміни в орбітах постійно відстежуються. При цьому відомості про місцезнаходження супутника записуються в пам'ять бортового комп'ютера і потім передаються на приймач разом з кодовою послідовністю.
Д - корекція затримок сигналу. Як би досконала не була система, є кілька джерел похибок, які дуже важко уникнути. Найсуттєвіші з них виникають при затримці радіосигналу в іоносфері (шарі заряджених частинок на висоті 120-200 км) і тропосфері (8-18 км) Землі. Величина затримок непостійна і залежить від сонячної активності і погодних умов. Існують два методи, які можна використовувати, щоб зробити помилку мінімальної. По-перше, ми можемо передбачити, як типова зміна швидкості поширення радіохвиль в звичайний день, при середніх іоносферних умовах, а потім ввести поправку у виміри. Але, на жаль, не кожен день є звичайним. Інший спосіб полягає у використанні двох частот несучих коливань. По різниці затримок двох різночастотних сигналів неважко з'ясувати величину уповільнення швидкості світла в атмосфері.
Global Positioning System (GPS) перекладається як глобальна система позиціонування. Термін «позиціонування» - більш широкий по відношенню до терміну «визначення місця розташування». Позиціонування крім визначення координат включає визначення вектора швидкості об'єкта, що рухається. Повна назва системи GPS Navstar (Navigation System with Time and Ranging) - навігаційна система на основі тимчасових і віддалемірних вимірювань.
GPS складається з трьох частин: космічного сегменту, сегменту управління та контролю і сегмента користувачів. Супутниковий сегмент складається із сузір'я функціонують в епоху спостережень супутників. Сегмент управління і контролю містить головну станцію управління та контролю, станції стеження за супутниками і станції закладки інформації в бортові комп'ютери супутників. Сегмент користувача - це сукупність супутникових приймачів, які перебувають в роботі.
Номінально в кожен момент часу є 24 працюючих супутника, які розподілені по шести кругових орбітах. На кожній орбіті, таким чином, знаходиться чотири супутники. Площини орбіт рознесені по довготі на 60 градусів. Нахил площини орбіти до площини екватора становить 53 градуси. Відстань супутників від поверхні Землі - 20,2 тис. Кілометрів. При такій висоті орбіти період обертання дорівнює половині зоряної доби. Спостерігачеві це зручно. Він знає, що якщо сьогодні в такий-то час супутник знаходиться в такій точці небосхилу, то рівно через добу той же супутник буде приблизно там же. Зручно планувати спостереження. Найдорожчим обладнанням супутників є атомні еталони частоти-часу, що забезпечують наносекундной точність ходу бортового годинника.
Потім дані передають на одну з трьох наземних станцій для закладки інформації в пам'ять бортових комп'ютерів. П'ять станцій спостереження за супутниками, рівномірно розташовані по всьому світу, кожні півтори секунди визначають дальність до всіх, хто знаходиться над горизонтом супутників. Дані спостереження передаються на головну станцію управління та контролю.
Вид сигналу системи.
Одночасне забезпечення вимог по вимірюванню дальності і швидкості при простій структурі сигналу неможливо, тому прийнятним для таких вимірювань є використання шумоподібних сигналів, таких, наприклад, як псевдослучайная послідовність імпульсів. Спрощений вид подібного сигналу представлений на малюнку. Тут фаза високочастотного несучої модулюється навігаційним кодом, який містить далекомірний код (його автокореляційна функція має дуже гострий максимум) і код двійковій службової інформації. Такий принцип формування сигналу системи дозволяє по вимірюванню доплерівського зсуву частоти несучої визначати швидкості, а по затримці елементів далекомірного коду - дальність до супутника, при цьому службовий код несе всю допоміжну інформацію (ефемериди супутників, альманах системи і ін.), Необхідну для забезпечення роботи навігаційного приймача.