Сегмент потребителя

Сегмент потребителя представляет собой комплект спутникового оборудования, позволяющий получать координаты пункта наблюдений, точное время, а также скорость и направление перемещения объекта. Во время работы осуществляется прием радиосигналов со спутников, регистрируются определяемые величины, производится предварительная обработка результатов непосредственно в полевых условиях, и затем в камеральных условиях выполняется окончательная обработка (так называемая «постобработка») материалов, позволяющая получить окончательные значения величин, интересующих потребителя. Спутниковая аппаратура может быть использована для военных целей и поэтому должна работать оперативно и надежно при ведении боевых действий. При этом создаются условия, при которых использование системы позиционирования было бы недоступно для потенциального противника. Гражданское применение спутниковой аппаратуры ориентировано на ее использование в навигации, а также в геодезии.

Спутниковая геодезическая аппаратура состоит из целого набора аксессуаров. В комплект одного спутникового приемника входят: антенна, приемник, контроллер (управляющее устройство), блок питания (для зарядки аккумуляторов и питания от сети), аккумуляторы или батареи, кабели, штатив или вешка, а также устройства крепления или установки антенны на них, рюкзак или кейс, чехлы и пр. оснащение. При работе в режиме реального времени необходим радиомодем с блоком питания и радиоантенна. Для обработки результатов наблюдений – компьютер и программное обеспечение.

К настоящему времени разработаны десятки типов аппаратуры пользователя для морской и воздушной навигации, геодезии и других целей. Уже функционируют десятки тысяч приёмников сигналов спутников системы GPS.

Навигационные определения координат с использованием P- кода обеспечивают точность автономного (без привязки к опорным пунктам) непрерывного знания координат места с точностью ~3 – 5 м. Точность определений с использованием C / A -кода ниже - ~30 – 50 м. Точность в обоих случаях ограничивается погрешностями измерения времени поступления на приемник пользователя излучённых спутником C / A и P -кодов, влиянием на результаты измерений условий распространения радиосигналов, ошибками определения орбиты. Большей точности (1 - 2 м) достигают, используя дифференциальный метод измерений, когда определяется положение одного пункта относительно другого.

Такая точность в полной мере удовлетворяет нужды морской и воздушной навигации. Благодаря легкости и малым габаритам приёмников GPS, они находят применение в геологии, рекогносцировочных изысканиях, туризме, военном деле, в оборудовании автомобилей.

При использовании системы для решения геодезических задач, выполняя измерения непосредственно на несущих частотах L ₁ и L ₂ и применяя дифференциальный метод, достигают очень высокой точности - около 1:1000 000 расстояния между пунктами.

В настоящее время спутниковые приемники выпускают более 400 фирм, и они характеризуются сравнительно большим разнообразием, но отличительные особенности приемных устройств, выпускаемых различными фирмами, в большинстве случаев, носят непринципиальный характер.

3.3. Определение координат измерением псевдодальностей
с помощью кодов

Задачей глобальной спутниковой системы является определение координат объектов (судов, самолётов, объектов на суше). При всём разнообразии выпускаемых приборов в состав аппаратуры пользователя всегда входят: антенный блок, блок приёмника и вычислительно-управляющий блок, оформляемые часто в виде единого прибора, который для краткости будем называть приёмником. В таком приёмнике, как и на спутнике, имеется датчик частот L ₁ и L ₂ (бывают и одночастотные приёмники) и измеритель времени – часы. Также генерируются подобные спутниковым C / A- и P- коды (последний – если доступ к нему санкционирован, то есть известны правила его формирования, изменяемые каждую неделю).

Рис. 16. Двоичные синхронные сигналы,
вырабатываемые передатчиком спутника (а) и приемником (б)

Приемник измеряет интервал времени между формированием собственного кода и поступлением кода от спутника. Если бы часы приёмника были точно синхронизированы с часами спутника, то формирование кодов везде происходило бы одновременно, и интервал времени между появлениями на приёмнике собственного кода и кода, пришедшего от спутника, был бы равен времени движения сигнала от спутника до приёмника, что позволило бы, измерив его, вычислить расстояние спутник - приёмник. Однако показания часов спутника и приёмника расходятся на некоторую величину d _s - d _i, где d _s - поправка часов спутника и d _i - поправка часов приёмника. Поэтому расстояние r от приёмника до спутника равно

r = R + c (d _s - d _i) + d_ion, (8)

где R - измеренное значение расстояния, существенно отличающееся от верного и потому называемое псевдорасстоянием; c – скорость света; d_ion - задержка сигнала в ионосфере и тропосфере.

Задержка сигнала в ионосфере ослабляется особым комбинированием измерений, выполненных на двух разных частотах (что делает двухчастотные приемники более точными), или введением поправки, вычисляемой с использованием параметров, содержащихся в навигационном сообщении. Меньшая по величине тропосферная задержка исключается введением поправки, вычисляемой по метеорологическим данным.

Поправку d _s часов спутника, ежесуточно контролируемую наземным комплексом системы, можно считать известной, а остаточную погрешность в ней - малой по сравнению с неизвестной поправкой часов приёмника. Учитывая названные поправки, получим: r = R - c d _i.

Для определения координат пункта i измеряют несколько псевдорасстояний R до разных спутников s и в разные моменты времени t.

Чтобы различать в дальнейшем результаты измерений и другие переменные, относящиеся к разным пунктам, спутникам и моментам времени, при соответствующих обозначениях будем указывать в нижнем индексе знак определяемого пункта, в верхнем индексе - имя спутника, а в скобках - момент времени (эпоху). Например, расстояние от пункта i до спутника s в эпоху t запишется так: .

Перенеся измеренные величины в левую часть равенства, а определяемые - в правую, для соответствующего псевдорасстояния напишем уравнение

, (9)

где

. (10)

В уравнении (9) неизвестными являются: x_i, y_i, z_i, d _i (t). При числе наблюдаемых спутников n_s и числе эпох измерений n_t общее число уравнений (9), равное числу выполненных измерений, будет n_sn_t. Решением системы таких уравнений находят координаты пункта i и поправку часов d _i (t). Полагая приёмник i неподвижным, а смещение часов изменяющимся, находим, что число неизвестных равно 3 + n_t (3 координаты и n_t поправок часов). Для определения названных неизвестных необходимо, чтобы число измерений было не меньше числа неизвестных, т. е. n_sn_t ³ 3 + n_t. Так, если измерения ведутся на 4 спутника (n_s = 4), то должно соблюдаться неравенство 4 n_t ³ 3 + n_t, из которого видно, что для определения координат приёмника достаточно одной эпохи измерений. Легко проверить, что при наблюдении двух спутников необходимы две эпохи измерений.

При использовании C/A -кода погрешность измерения псевдорасстояний составляет несколько метров, а при использовании P -кода - доли метра. К этой погрешности добавляются погрешности координат спутников, остаточные погрешности влияния ионосферы и другие. В результате координаты получают с помощью С/А -кода с точностью 25 – 30 м, а с помощью Р -кода – 3 – 5 м.