Структура и состав глобальной навигационной спутниковой системы

Для достижения таких важнейших качеств ГНСС, как непрерывность и высокая точность, в их составе функционируют три основных сегмента: контроля и управления, космический и потребителя (пользователя).

Сегмент контроля и управления - это комплекс наземных средств, обеспечивающих непрерывные наблюдения и контроль над работой всей системы. Одна из составляющих этого сегмента - равномерно расположенная на поверхности Земли, в том числе и в России, космическая геодезическая сеть.

Космический сегмент - в глобальной навигационной спутниковой системе (ГНСС) он включает в себя созвездие навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ), вращающихся вокруг Земли на определенных орбитах.

Размеры и форма эллиптической орбиты определяются размером ее большой полуоси и эксцентриситета. Отметим, что в системе GPS большая полуось и эксцентриситет примерно равны 26560 км и 0,001 соответственно.

В ГНСС GPS навигационные искусственные спутники Земли размещены на шести орбитальных плоскостях по четыре НИСЗ в каждой. Высота орбит 20145 км. Восходящие узлы орбит в ГНСС GPS расположены равномерно по экватору и отстоят друг от друга по долготе на 60° на восток.

В глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС на трех орбитальных плоскостях должны вращаться равномерно расположенные на каждой орбите 24 искусственных спутника Земли. Тип орбиты – круговой. Высота орбиты 19100 км, наклонение орбиты 64,8°. Период обращения – примерно 12 ч. При невозмущенном движении НИСЗ параметры орбиты в каждый фиксированный момент времени постоянны и не меняются при движении спутника по орбите. Пространственное положение НИСЗ характеризуют его «бортовые эфемериды», включающие в себя пространственные прямоугольные координаты НИСЗ (в системе координат WGS-84 для GPS и в системе ПЗ-90 для ГЛОНАСС) на определенный момент времени /к (на определенную эпоху). Бортовые эфемериды вырабатываются в результате обработки измерений, выполняемых сегментом контроля и управления. По результатам соответствующих измерений бортовые эфемериды загружаются на НИСЗ несколько раз в сутки. При этом влияние погрешностей эфемерид (неточность определения параметров орбит, непрогнозируемые смещения НИСЗ и др.) на точность абсолютного положения определяемых пунктов не превышает для системы ГЛОНАСС - 9,2 м, системы GPS - 1 м.

Навигационный искусственный спутник Земли движется по орбите некоторой шкале времени. В глобальных навигационных спутниковых системах используют следующее время: всемирное (гринвичское среднее солнечное); всемирное координированное; поясное; местное декретное и летнее. Всемирное (гринвичское среднее солнечное) время содержит UT год, месяц, число, час, минуту и секунду. При этом первые три величины - год, месяц и число - отсчитывают по общепринятому (Григорианскому) календарю, час, минуту и секунду - по местному среднему времени на гринвичском меридиане.

Сегмент потребителей состоит из приемника и вычислительного блока. Приемник принимает сигналы, поступающие от спутника, и передает их в вычислительный блок, который обрабатывает данные измерений, поступивших из приемника.

8.3 Дифференциальный метод определения местоположения пунктов

Точность определения абсолютного положения определяемых точек с помощью глобальных навигационных спутниковых систем в их штатном режиме работы находится в интервале 5…10 м. Повышение точности абсолютных определений возможно путем использования дифференциального метода спутниковых наблюдений, который основан на учете при вычислении координат определяемой точки, так называемых дифференциальных (разностных) поправок.

В основе дифференциального метода лежит относительное постоянство во времени и пространстве некоторых элементарных погрешностей, участвующих в формировании общей погрешности измерений абсолютного положения определяемых точек. Основные слабо меняющиеся погрешности следующие: синхронизация шкал времени НИСЗ и приемника спутниковых сигналов; эфемерид НИСЗ, а также погрешности, обусловленные влиянием непостоянства характеристик ионосферы и тропосферы по трассе распространения сигнала от НИСЗ.

Для реализации дифференциального метода глобальную навигационную спутниковую систему дополняют рядом технических средств, совокупность которых образует своеобразную подсистему. Эта дифференциальная подсистема не влияет на функционирование всей ГНСС в основном, т.е стандартном ее режиме. Однако она дает возможность пользователю перейти при необходимости на работу в дифференциальном режиме. Так система GPS, дополненная дифференциальной подсистемой, получила название DGPS (Differential Global Positioning System). В качестве базовой станции используют геодезический пункт с известными с заданной точностью координатами (система координат ГНСС). Центром такого пункта часто является закрепленная на крыше здания антенна приемника спутниковых сигналов. При этом координаты Х_СТ, Y_СТ,Z_СТ центра пункта соотносят к положению фазового центра антенны.

Сигналы навигационных искусственных спутников земли, одновременно «видимых» на БС и определяемой точке, воспринимаются соответствующими приемниками. В дальнейшем на базовой геодезической станции соответствующие сигналы поступают в блок формирования корректирующей информации. Основное назначение данного блока – вычисление корректирующих поправок и формирование кадра корректирующей информации по каналу связи с базовой станции передается в приемник спутниковых сигналов, установленный на определяемом пункте. Переданными таким образом поправками корректируют результаты спутниковых наблюдений, выполненных на определяемой точке, и по этим данным вычисляются ее координаты (для этого используют соответствующий блок).

При вычислении окончательных координат определяемой точки используют, как правило, метод коррекции координат и метод корректировки навигационных параметров.

Идея дифференциального метода, основанного на коррекции навигационных параметров, заключается в том, чтобы передать на определяемую точку набор поправок к измерениям по всем НИСЗ, которые потенциально могут быть при спутниковых наблюдениях на определяемой точки. На базовой станции измеряют псевдодальности до всех «видимых» НИСЗ и вычисляют ее измеренные координаты, а затем и измеренные дальности (по измеренным координатам базовой станции и координатам НИСЗ). В дальнейшем, разности между измеренными псевдодальностями и соответствующими вычисленными значениями дальностей (корректирующая информация) передают по каналу связи на определяемую точку, на которой при обработке корректирующей информации выбирается оптимальное созвездие НИСЗ.