GPS-обозреватель: Эра GPS в 2008 году и взгляд в будущее.

Автор статьи: Джеймс Рейли (James P. Reilly), доктор философии

31 марта 2008

Зарождение глобальной системы спутниковой навигации GPS началось более 30 лет назад. Первый спутник поколения Block I был запущен 22 февраля 1978 года. Он получил название SVN 0/ PRN 4 и прослужил почти 22 месяца. Запуск всех 11 спутников поколения Block I осуществлялся в период с 1978 по 1985 гг.; один из них не достиг орбиты. Все спутники, запущенные с 1989 года относятся к поколению Block II.

На сегодняшний день существуют четыре типа спутников поколения Block II: IIA(Advanced [усовершенствованные]), IIR (Replenishment [пополняемые]) и IIR-M (Military [военные]). Первый спутник типа Block II был запущен 14 февраля 1989 года; типа IIA – 29 ноября 1990; первый действующий спутник типа IIR – 23 июля 1997; типа IIR-M – 26 сентября 2005 года. В начале 2009 года запланирован запуск первого спутника пятого типа, Block IIF. Спутники поколений Block I и Block II первого типа больше не действуют и не обслуживаются.

Состояние спутников системы GPS на сегодняшний день

С 1978 года спутниковая система GPS значительно прогрессировала. Запуск очередного спутника был произведён 21 декабря 2007 года. Это был пятый по счёту выведенный на орбиту спутник типа Block IIR-M и второй, запущенный в 2007 году. Названный GPS IIR-18(M), спутник был помещён на позицию slot C1 и заменил Space Vehicle Number (SVN) 36, который, в свою очередь, заменит SVN 37. Спутник начал функционировать 2 января 2008 года. Это рекордно короткое время, прошедшее с момента запуска спутника до введения его в эксплуатацию.

Назначение спутников Block IIR. Когда старый спутник, обычно типа IIA, начинает выходить из строя, он замещается спутником типа IIR-M. Из первоначальных 21 спутников Block IIR 17 находятся на орбите и три на земле.(Первый спутник не достиг орбиты.) Два спутника из трёх, находящихся на земле, планируется запустить в этом году.

Всего существует 31 рабочий GPS спутник. Сегмент оперативного контроля военно-воздушных сил США может одновременно контролировать 31 спутник, хотя планирует модернизировать земной сегмент системы с целью увеличения количества спутников, которые можно отслеживать.

Конфигурация спутников на орбите

Рис. 1. Конфигурация системы поколения Block I, II и IIR

Рис. 1. Конфигурация системы поколения Block I, II и IIR

На рисунке 1 показана конфигурация спутников типа Block II и IIA – первых функционирующих спутников. В то время было 14 работающих спутников IIA. Первые 12 спутников Block IIR имели такую же конфигурацию.

C/A-код на частоте L1 – это гражданский код, используемый для целей гражданского населения. Сегодня уже кажется, что практически у каждого есть«приёмник кодированных сигналов». C/A-код генерирует псевдодальности, и когда одновременно видны четыре или более спутника, приёмник вычисляет местоположение с точностью, в среднем, +/- 10 метров, что совсем неплохо для прибора стоимостью менее 200 долларов США. C/A-код хорошо работает, но по современным стандартам, это уже устаревшая технология; такой же код использовался в первом GPS спутнике, запущенном в далёком 1978 году.

Я уверен, что вы слышали выражение«если это не сломано, не ремонтируй это». Именно по этому принципу работала система GPS в течение 27 лет. Позже, в 2005 году, после нескольких лет раздумий, ВВС США согласились на усовершенствование современного гражданского кода – L2C.

Рис. 2. Конфигурация системы поколения Block IIR-M

Новый код находится на несущей частоте L2 спутников Block IIR, как показано на рисунке 2. Эти спутники названы Block IIR-M.

L2C

Существуют пять спутников, передающих L2C-код. Некоторые производители приёмников геодезического класса продают устройства, способные принимать код L2C.

В отличие от приёмников, работающих по коду, используемых большинством населения, приёмники, которые продают геодезистам, являются приёмниками, работающими по среде несущей, которые работают в парах. В этих приёмниках псевдодальность определяет приблизительное расстояние до спутника, приёмник также измеряет фазовую задержку. С применением передового программного обеспечения разрешаются неоднозначности в волнах на несущих частотах и, зная фазовую задержку, можно с высокой точностью определить расстояние до спутника. Используя данную технологию, два одновременно работающих приёмника могут достичь субсантиметровой точности в относительном определении местоположения.

 

L2C-код даст возможность приёмникам определять псевдодальности в те моменты времени, когда C/A-код не может этого сделать, и отношение сигнал/шум будет лучше. Но, согласно технической литературе, спутники в своей работе всё ещё требуют использование C/A-кода. Если приёмник принимает только сигналы L2C, то требуется значительно больше усилий для получения сигнала, чем для приёмника L1 C/A-кода – более, чем в 200 раз аппаратных ресурсов и более, чем в 500 раз ресурсов программного обеспечения. Также, если отслеживаются оба сигнала, L1 и L2C, удваивается энергопотребление приёмника. Однако в двухчастотном приёмнике сигнал сначала может приниматься на частоте L1 C/A, а затем, используя процесс переключения, он может отслеживать сигнал L2C с использованием системы фазовой автоподстройки частоты. Это даёт современным L2C сигналам преимущество в отслеживании сигнала, по сравнению с L1 C/A-кодом. Для приёмников геодезического класса, более точное определение псевдодальностей позволит упростить процесс разрешения неоднозначностей на несущей частоте.

Block IIF

Рис. 3. Конфигурация системы поколения Block IIF

Если на земле осталось всего три спутника поколения Block IIR-M, то что же дальше? Новый блок спутников, названный Block IIF(Follow-on [модифицированные]), которые предназначены для работы с тремя частотами: L1, L2 и L5. Рисунок 3 представляет мою интерпретацию конфигурации. L5 – это гражданская частота, а не гражданский код. Я встречал описание этого, как третьего гражданского сигнала (L5) – BPSK (10). Ожидается, что полная работоспособность созвездия спутников Block IIF будет достигнута к 2015 году.

С самого первого дня программа IIF испытывала технические трудности. Первоначально программа включала в себя 15 спутников, первый из которых должен был быть запущен в 2005 году. Сейчас в программе 12 спутников, запуск первого запланирован на начало 2009 года. Тем не менее, согласно пресс-релизу международной телефонной и телеграфной корпорации ITT, опубликованному 20 декабря 2007 года, испытание частоты L5 начнётся с запуском следующего спутника IIR-M. В сообщении для прессы указано:«Поставщик систем полезной нагрузки для спутников GPS, корпорация ITT, поставила компании Lockheed Martin, производящей спутники, новый демонстратор полезной нагрузки для модернизированных GPS спутников Block IIR (GPS IIR-M), для интегрирования с космическим аппаратом и финальных испытаний систем». Демонстратор полезной нагрузки будет временно передавать сигнал на третьей гражданской частоте.

Сигнал, распространяющийся на частоте L5(1176, 45 МГц), будет соответствовать международным требованиям по радиочастотам. Будущие поколения космических аппаратов GPS будут иметь возможность работать с сигналами на третьей гражданской частоте, что позволит повысить точность и производительность системы. Согласно данным ITT, космический аппарат с демонстратором полезной нагрузки, известный под названием SVN 09, является одним из последних трёх спутников поколения Block IIR-M, запланированных к запуску в этом году. Я отмечал, что ВВС США заявляют о трёх запусках в 2008 году, тогда как ранее объявлялось лишь о двух. Я также упоминал, что ВВС не охарактеризовали код на частоте L5. По моему мнению, это похоже на ситуацию с системой Galileo, ВВС США сначала хотят добиться работоспособности на частоте L5, прежде чем заботиться о коде.

В дополнение к контракту по развитию системы поколения IIF, стоимостью 215 миллионов долларов США, корпорация Boeing заключит контракт на 1, 3 миллиарда долларов на производство первых девяти спутников IIF. ВВС также планируют заказать у Boeing ещё три спутника.

 

Планируется ли увеличение количества спутников системы GPS?

Новая группа спутников будет носить название Block III. ВВС США не сильно распространяются на эту тему, поскольку ещё не был запущен первый спутник поколения Block IIF. Мне довелось услышать, что запуск первого спутника Block III планируется на 2013 год. Спутники Block III будут находиться в трёх орбитальных плоскостях(Block II – в шести плоскостях), а существующий C/A-код будет заменён новым кодом, названным L1C. Очень много написано по поводу этого кода, но ВВС говорят, что давайте подождём, пока Block IIF оторвётся от земли.

Когда различные источники сообщают о датах 2013 и 2015 годы, то вам не нужно волноваться о будущем GPS. Во времена начала функционирования Block II ВВС использовали выражение«начальная стадия эксплуатации». Это означало, что полная работоспособность ещё не была достигнута, но спутники уже были доступны для наблюдений. Спутники поколения Block IIF ещё не запущены, но, как только это произойдёт, ВВС объявят начальную стадию эксплуатации, возможно, после того, как на орбите окажутся семь или более спутников. Возможно, вам придётся модернизировать старые приёмники спустя какое-то время. Давайте подождём и увидим, что нам скажут производители приёмников.

Список литературы

  1. Dempster, Andrew,«Correlators for L2C, Some Considerations», Inside GNSS, September 2006.
  2. «ITT Delivers IIR-M Payload Featuring Third Civil Signal», GPS World Daily, Dec. 20, 2007.
  3. «360 Degrees: USAF Announces More IIF Delay», Inside GNSS, September 2006, 17.

Джеймс Рейли, доктор философии, в прошлом – президент Американского конгресса по геодезии и картографии (ACSM) и заведующий кафедрой инженерной геодезии государственного университета Нью-Мексико.


Дата: 10.07.2008

Назад к списку новостей