Космический сегмент образован орбитальной группировкой, номинально состоящей из 24 основных НКА и 3-х резервных НКА. НКА находятся на 6 круговых орбитах высотой примерно 20000 км, наклонением 55° и равномерно разнесенных по долготе через 60°. Схематично размещение НКА на орбитах на 19.1.1999 г. может быть проиллюстрировано рис.2.
Рис. 2. Размещение НКА GPS на орбитах
Состояние орбитальной группировки на 7.02.2000 г. может характеризоваться следуюшей табл. 1:
| Таблица 1. Состояние орбитальной группировки | |||||||||||||||
| Номер кода | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 13 | 14 | 15 | |
| Плоскость, точка | F4 | B3 | C2 | D4 | B4 | C1 | C4 | A3 | A1 | E3 | D2 | F5 | E1 | D5 | |
| Время | CS | CS | CS | RB | CS | CS | RB | CS | CS | CS | RB | RB | CS | CS | |
| Номер кода | 16 | 17 | 18 | 19 | 21 | 22 | 23 | 24 | 25 | 26 | 27 | 29 | 30 | 31 | |
| Плоскость, точка | E5 | D3 | F3 | A5 | E2 | B1 | E4 | D1 | A2 | F2 | A4 | F1 | B2 | C3 | |
| Время | CS | CS | CS | CS | CS | RB | CS | RB | CS | RB | CS | RB | CS | CS | |
В ней буквами А, В, С, D, Е, F обозначены шесть орбитальных плоскостей; обозначения CS и RB приняты соответственно для цезиевого и рубидиевого стандартов частоты, определяющих местное время НКА.
Система GPS последовательно базировалась и базируется (табл. 1) на постоянно совершенствуемых НКА Блок-I, Блок-II Блок-IIA. В настоящий период начался запуск НКА Блок-IIR, которым в следующем тысячелетии будут наследовать НКА Блок-IIF. В табл. 2 приведены характеристики указанных НКА.
| Таблица 2. Характеристики НКА | |||||||||||||||
| Блок-I | 525 | 440 | - | 1978 | |||||||||||
| Блок-II | 844 | 710 | 5,0 | 1989 | |||||||||||
| Блок-IIR | 1094 | 1250 | 7,5 | 1997 | |||||||||||
| Блок-IIF | - | - | 14-15 | 2001-2002 | |||||||||||
В состав бортового оборудования НКА входят следующие подсистемы: синтезатор частот, блоки формирования и передатчики навигационных сигналов, средства синхронизации и временного обеспечения или бортовые "часы" (на НКА Блок-II используются два рубидиевых со стабильностью 5*Е-13 и два цезиевых стандарта частоты со стабильностью 2*Е-13), бортовое вычислительное устройство в составе основной и двух резервных ЭВМ, подсистемы ориентации в процессе наведения и на орбите, телеметрии, приема команд и ретрансляции сигналов наземного комплекса управления, терморегулирования и электропитания. Антенная система в линии передачи данных использует конические и спирально-конические антенны. Для передачи навигационных сигналов используются фазированные антенные решетки из спиральных излучающих элементов.
На НКА имеются также двигатели для коррекции орбиты и двигатели системы ориентации. Ориентация в пространстве осуществляется с помощью системы специальных датчиков. Подсистема телеметрии включает радиолинии передачи данных о состоянии бортовой аппаратуры в сегмент управления. По этим же линиям с земли поступают поправки к эфемеридам и показаниям бортовых "часов". Для точного определения орбит НКА используется запросный метод и на НКА аппаратура ретрансляции запросных сигналов с земли. По соответствующим измерениям задержки этих сигналов осуществляется точное определение параметров орбит и параметров движения НКА.
Опытные НКА №1-11 (Блок-I) были сконструированы так, чтобы обеспечивать нормальную работу по определению места в течение 3-4 дней без контакта с землей. Оперативные НКА получили наименование Блок-II, Блок-IIA, Блок-IIR. НКА Блок-II (№ 13-21) должен был обеспечивать местоопределение без контакта с землей в течение 14 дней. НКА Блок-IIA (№22-40) должны обеспечивать функционирование системы в течение 180 дней без контакта с землей.
Повышение автономности работы достигается за счет прогнозирования и компенсации погрешностей координатно-времеиного обеспечения НКА на коротком и длительном интервалах работы, обеспечиваемых за счет записи большого количества данных в памяти бортового компьютера НКА. В первом случае, через 14 дней погрешности местоопределения могут достигать 425 м (сферическая вероятная ошибка, СВО), во втором случае, через 180 дней СВО может достичь величины 10 км.
НКА Блок-IIR (№41-66) должен обеспечивать местоопределение без контакта с землей по крайней мере в течение 14 дней при работе совместно с НКА Блок-IIA и в течение минимум 180 дней с работающей системой автономной навигации (Autonav) при работе только спутников Блок-IIR.
Отметим также, что на бортах НКА Блок-ЦК, размещаются средства межспутниковой связи, обмена данными и измерения взаимных дальностей, позволяющие проводить автономную синхронизацию "часов"НКА и автономное уточнение параметров орбит. Именно эти средства и предназначены для обеспечения автономной работы СРНС в течение 180 дней без существенного ухудшения точности определения координат (16м, СВО) с удовлетворением предъявляемым требованиям по устойчивости функционирования. Следует заметить, что эта способность может быть реализована лишь после запуска необходимого числа НКА Блок-IIR.
Подсистемы терморегулирования включают теплоотводящие панели и электронагревательные элементы. Энергопитание осуществляется от панелей солнечных батарей. В период прохождения через тень Земли применяются никель-кадмиевые аккумуляторы.НКА Блок-IIF предназначены для замены НКА Блок-IIR, предполагают увеличение срока службы до 14 и более лет, а также совершенствование структуры сигнала и координатно-временного обеспечения НКА.
Передатчики НКА GPS излучают два непрерывных сигнала на частотах L1 и L2. Несущая частота L1 состоит из двух компонентов, которые находятся по фазе в квадратуре друг к другу (сдвинуты на п/2) для удобства их разделения. Первая - модулируются двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный Р-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Вторая - также модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный С/А-код и информационная последовательность), складывающимися по модулю 2. Обе информационные последовательности содержат информацию об эфемеридах НКА, системном времени, поведении "часов" НКА, статусе сообщения и др.
Рис. 3. Кодирование сигнала
Передатчики НКА GPS излучают два непрерывных сигнала на частотах L1 и L2. Несущая частота L1 состоит из двух компонентов, которые находятся по фазе в квадратуре друг к другу (сдвинуты на п/2) для удобства их разделения. Первая - модулируются двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный Р-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Вторая - также модулируется двумя двоичными последовательностями (дальномерный псевдослучайный С/А-код и информационная последовательность), складывающимися по модулю 2. Обе информационные последовательности содержат информацию об эфемеридах НКА, системном времени, поведении "часов" НКА, статусе сообщения и др.
Несущая частота L2 имеет один компонент и модулируется двумя двоичными последовательностями (как правило, дальномерный псевдослучайный Р-код или С/А-код и информационная последовательность линии передачи данных), складывающимися по модулю 2. Здесь также предусмотрен режим использования только Р(Y)-кода, когда информационная последовательность вообще не передается. Во всех случаях скорость передачи данных информационных последовательностей 50 бит/с. Используется фазовая манипуляция несущих частот (bi-phase shift key, BPSK).
Основным навигационным даяьномерным псевдослучайным кодом является точный Р-код. При включении режима А/S (Antispoofing) вместо этого кода будет использоваться закрытый код Р(Y), введенный впервые для НКА Блок-II.
В распоряжении мирового сообщества находится открытый псевдослучайный код С/А (С1еаг (Соarse)/Асquisition), иногда переводимый как "легкий (грубый) захват", который сначала использовался для первого вхождения в режим слежения с последующим переходом к использованию Р-кода. С целью преднамеренного снижения точности определения координат до уровня 100 м (2 СРО) для С/А-кода введен специальный режим селективного доступа (Sе1есtive Аvаilability, S/А, СД), который определяется IСD-GPS-203.
Все НКА используют одни и те же частоты, но каждый свои коды, поскольку свойства рассмотренных кодов таковы, что они позволяют надежно разделять сигналы различных НКА между собой, т.е. здесь используется кодовый принцип разделения сигналов.
Р-код представляет собой двоичную псевдослучайную последовательность (ПСП) длиной в 7 суток, передаваемую со скоростью 10,23 Мбит/с (тактовая частота 10,23 МГц). Закрытый Р(Y)-код, длительность которого составляет 267 суток, формируется в соответствии со специальными закрытыми документами (ICD-GPS-203/ 224/ 225).
С/А-код (код Голда) представляет собой ПСП длиной в 1 мс с тактовой частотой 1,023 МГц.
Начиная с НКА Блок-П, аномальные (нестандартные) коды С/А и Р(Y) получили наименование NSC и NSY. Эти коды предназначены для защиты пользователя от отказов оборудования.
Таким образом сигналы GPS занимают в L-диапазоне две полосы шириной по 20,46 МГц, в центре которых находятся частоты L1 и L2. Эти частоты когерентно порождены на НКА одним генератором и на земле частота этого генератора должна иметь величину 10,23 МГц (тактовая частота Р-кода). Учитывая появление релятивистского эффекта, величина частоты задающего генератора на орбите должна быть смещена на-4,5674*Е-3 Гц и равна 10,22999999543 МГц. Номинальные значения частот будут 1575,42 МГц и!227,6 МГц для диапазонов L1 и L2 соответственно.
Фазовые шумы несущей позволяют при односторонней полосе контура фазовой автоподстройки в 10 Гц реализовать точность слежения за фазой порядка 0,1 радиан (СКО).Паразитные сигналы в полосе 20,46 МГц должны быть по крайней мере на 40 дБ ниже уровня немодулированных несущих в обоих диапазонах.В результате фазовой манипуляции значения фаз и состояний кодов составного L1 сигнала будут определяться табл. 3
| Таблица 3. Состояние кодов и фазы составного L1 сигнала | |||||||||||||||
| 0 | 0 | 0 | |||||||||||||
| -70.5 | 1 | - | |||||||||||||
| +109.5 | 0 | 1 | |||||||||||||
| 180 | 1 | 1 | |||||||||||||
Минимальные уровни принимаемых сигналов (дБВт) на линейно поляризованную антенну с усилением в 3 дБ при углах места НКА более 5° приведены ниже.
| Таблица 4. | ||
| Частота | Р-код | С/А-код |
| L1 | -163.0 | -160.0 |
| L2 | -166.0 | -166.0 |
Эффективная неопределенность групповой задержки сигнала в НКА (между генератором частоты и фазовым центром передающей антенны) не превышает 3,0 не (2 СКО). Групповая дифференциальная задержка между сигналами L! и L2 кода Р(Y) может иметь смещение, не превышающее 15 нc, и случайную составляющую, уровень которой не превышает 3,0 нc (2 СКО).
Все передаваемые одним НКА сигналы порождены одним стандартом частоты и когерентно связаны между собой. Это относится и к несущей частоте, и к кодам, причем для цифровых сигналов нормы задает Р-код. В информационной последовательности различие в переходах между состояниями не превышает 10 нc (2 СКО).
В навигационном сообщении информационной последовательности GPS содержится информация об эфемеридах НКА, позволяющих рассчитать их координаты и составляющие скорости, альманах созвездия НКА, частотно-временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры НКА и др. Эта информация используется в аппаратуре потребителя при решении навигационно-временной задачи по определению координат, скорости и временной поправки к местной шкале времени. Информационная последовательность передается кадрами емкостью 1500 бит и длительностью 30 с. Один кадр делится на субкадры длительностью 6 с. Каждый субкадр (или строка) содержит 10 слов по 30 бит каждое. В одном кадре передается 1/25 всего альманаха. Поэтому передача всей информации альманаха занимает 12,5 мин. Этот массив информации объемом 37500 бит называют суперкадром. Используется 11 типов блоков (форматов) данных, содержание которых характеризуется табл. 5.
| Таблица 5. Состояние блоков (форматов) данных | |||
| 1 | Временные поправки, поправки для двухчастотной ионосферной коррекции | 1 | - |
| 2 | Эфемериды | 2 | - |
| 3 | Эфемериды | 3 | - |
| 4 | Альманах | 5 | 1-24 |
| 5 | Признаки работоспособности НКА | 5 | 25 |
| 6 | Резервное сообщение | 4 | 1,6,11,16 & 21 |
| 7 | Резервное сообщение | 4 | 12,19,20,22,23 & 24 |
| 8 | Параметры UТС ионосферной модели | 4 | 18 |
| 9 | Признаки А/S и работоспособности НКА | 4 | 25 |
| 10 | Служебное сообщение | 4 | 13 |
| 11 | Резервное сообщение | 4 | 14, 15 & 17 |
Информация блоков 1, 2, 3 передается оперативно через 30 с. Информация остальных блоков передается страницами в составе суперкадра на месте, указанном в 4-м столбце табл. 5. Для иллюстрации содержания навигационного сообщения в табл. 4 в качестве примера приведены параметры субкадра 1.
| Таблица 6. Параметры субкадра | ||||
| Номер недели | 10 | 1 | - | неделя |
| Код L2 | 2 | 1 | - | целое |
| Признак данных с Р-кодом на L2 | 1 | 1 | - | целое |
| Точность НКА | 4 | - | - | *ИЕ |
| Признак работоспособности НКА | 6 | 1 | - | целое |
| Т(GD) | 8 | 2^(-31) | - | c |
| IODC | 10 | - | - | *ИЕ |
| t(OC) | 16 | 16 | 604784 | c |
| a(f2) | 8 | 2^(-55) | - | c/c*c |
| a(f1) | 16 | 2^(-43) | - | c/c |
| a(f0) | 22 | 2^(-31) | - | c |
*ИЕ - искусственная единица измерения
