Глобальная навигационная спутниковая система GPS

О системе GPS

История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 года, 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 КА Block I для создания демонстрационной системы. Первый КА был запущен 22 февраля 1978 года, 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 20 200 км и наклонением 63°. К моменту начала серийного производства в 1989 году КА 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 ОГ насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), готовых к использованию по целевому назначению. Переход в режим FOC состоялся в июле 1995 года, 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 10-летий, 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 КА 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 этап модернизации GPS предполагает разработку и производство КА следующего поколения Block III, которые в сочетании с усовершенствованным наземным комплексом управления и НАП обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности координатно-временного и навигационного обеспечения.

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 КА излучает навигационные сигналы на нескольких несущих частотах. Квадратурные составляющие сигналов, передаваемых на каждой из несущих частот, подвергаются фазовой манипуляции различными дальномерными 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 КА 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 КА ОГ 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.

ОГ

Штатная ОГ GPS состоит из 32 основных КА, 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 КА GPS являются синхронными.

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 КА

Текущий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство НКА GPS следующего поколения, имеющих условное обозначение НКА GPS III, которые в сочетании с усовершенствованными НКУ и НАП обеспечат улучшенные характеристики в части помехозащищённости, точности, доступности и целостности в соответствии с требованиями 2025 года и на дальнейшую перспективу.

Уникальные особенности GPS III, которые отличают ее от системы GPS на основе предыдущих поколений НКА:

1. Четвертый гражданский навигационный радиосигнал L1С, изначально разработанный для обеспечения взаимодополняемости с гражданским сигналом E1 системы Galileo (ЕС) и внедряемыми в системах Beidou (КНР), QZSS (Япония) и NavIC (Индия) гражданскими сигналами.
2. Высокоскоростная командно-измерительная и телеметрическая радиолиния (TT&C).
3. Высокоскоростной канал межспутниковой линии связи, отличный от реализованного на современных НКА GPS и предназначенный, в основном, для передачи сигналов системы обнаружения ядерных взрывов.
4. Наличие мощных остронаправленных антенн NAVWAR для обеспечения услуг КВНО при ведении боевых операций в условиях действия радиопомех.
5. Функциональные возможности обеспечения целостности.
6. Лазерные отражатели на всех НКА для обеспечения возможностей разграничения ошибок определения времени и ошибок, связанных с расчетом эфемерид.
7. Расширение функциональных возможностей системы за счет использования дополнительных полезных нагрузок, в частности полезной нагрузки американской части среднеорбитальной системы поиска и спасания (Medium Earth Orbit Search and Rescue – MEOSAR).

Программа создания НКА GPS III предполагает поэтапное расширение функциональных возможностей НКА. Первоначальными планами предусматривалось создание трех вариантов исполнения НКА – IIIA (8 НКА), IIIB (8 НКА) и IIIC (16 НКА), каждый из которых должен являться развитием предыдущего варианта исполнения НКА.

Навигационные радиосигналы

Спектр навигационных радиосигналов системы GPS

Характеристики навигационных радиосигналов системы GPS

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 системы GPS. В навигационном сообщении CNAV содержится информация того же типа, что и в сообщении NAV (текущее время, признаки состояния КА, ЭВИ, 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 КА, используемых по целевому назначению с 32 до 63, а также возможность оперативно передать данные о работоспособности конкретного аппарата (целостности) с задержкой менее 6 с.

Традиционные навигационные радиосигналы L1P, L1C/A, L2P, L2C, L5, использующие бинарную фазовую манипуляцию (Binary Phase Shift Key – BPSK), дополняются радиосигналами L1C, L1M и L2M с меандровой модуляцией частоты несущих колебаний (Binary Offset Carrier – BOC). Применение BOC модуляции позволяет повысить точность оценки измерений текущих навигационных параметров не только в обычных условиях, но в сложных условиях приема большого количества переотраженных радиосигналов НКА.

Предусматривается предоставление двух видов услуг системы GPS:

• услуга открытого доступа, посредством радиосигналов L1C/A, L1C, L2C и L5;
• услуга селективного доступа, посредством радиосигналов L1P, L1M, L2P и L2M.

Приведенная информация соответствует данным ИКД GPS 2013 года. Новый ИКД GPS был выпущен в мае 2018 года и в настоящее время находится на стадии изучения и анализа российскими специалистами.

Система координат и шкала времени

Система координат

В системе 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 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, м3/с2	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 года.

НКУ

Управление ОГ GPS осуществляет 2-я оперативная космическая эскадрилья Космического командования ВВС США, расположенная на базе ВВС Шривер (штат Колорадо, США), под оперативным командованием Стратегического командования США (USSTRATCOM) со штаб-квартирой на базе ВВС Оффут (штат Небраска, США). Оперативное командование осуществляется непосредственно Командующим космическими войсками объединённого командования на базе ВВС Ванденберг (штат Калифорния, США).

В настоящее время управление ОГ GPS осуществляет 2-е поколение НКУ, обозначаемое Operational Control Segment (OCS) GPS и включающее в себя:

• главный центр управления (Master Control Station – MCS) на базе ВВС Шривер;
• резервный центр управления (Alternate Master Control Station – AMCS) на базе ВВС Ванденберг;
• глобальную сеть из четырех командно-измерительных и закладочных станций;
• 7 станций сети управления КА ВВС США (Air Force Satellite Control Network – AFSCN), привлекаемых дополнительно для обеспечения точности, гибкости и надежности управления НКА;
• глобальную сеть из 16 станций мониторинга, объединяющую шесть станций мониторинга НКУ GPS, принадлежащих ВВС США, и 10 станций мониторинга Национального агентства геопространственной разведки (National Geospatial Intelligence Agency – NGA).

НКУ GPS реализует беззапросную технологию ЭВО, а глобальная сеть командно-измерительных станций позволяет производить закладку информации на борт с периодичностью 4…6 ч.

В результате, в настоящее время погрешность ЭВИ составляет 0,8 м (СКП), при этом НКА GPS IIF предоставляют услуги навигационно-временного с погрешностью ЭВИ 0,39 м (СКП).

Новый НКУ создается в 4 этапа. Промежуточный этап предполагает модернизацию существующего НКУ OCS в рамках плана развития архитектуры (Architecture Evolution Plan – AEP).

НКУ OCX позволит повысить оперативность управления НКА с одного сеанса приема телеметрической информации продолжительностью 45…90 мин до непрерывного, в том числе через сеть управления КА ВВС США (AFSCN), непрерывно передающую данные на главный центр управления по криптозащищенному каналу в S-диапазоне в формате SGLS/USB.

Программное обеспечение ЭВО НКА в OCX будет основано на разработках Лаборатории реактивного движения NASA (Jet Propulsion Laboratory – JPL), используемых в системе дифференциальной коррекции GDGPS NASA, разработанной для обеспечения растущих потребностей в НВО в реальном времени. Наземная сеть GDGPS включает более 100 пунктов Агентства NASA и неправительственных организаций, оборудованных многочастотной НАП. Данные GDGPS будут использоваться ВВС США также для мониторинга всех сигналов GPS, поскольку в контуре управления системой в настоящее время мониторинг гражданских сигналов не осуществляется.

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

• Система контроля и подтверждения характеристик ГНСС
• FTP-архив
• Нормативно-правовые документы в области спутниковой навигации
• Пилотные проекты