Рис. 1.11. Схема расположения станций IGS по состоянию на 1994 г.

щая весь земной шар, несколько снижает возможности проведения траекторных измерений, ориентированных на определение, прогнозирование и непрерывное уточнение параметров орбит спутников, входящих в систему ГЛОНАСС. Для устранения этого недостатка в НКУ системы ГЛОНАСС предусмотрено использование спутниковых лазерных дальномеров, позволяющих с высокой точностью определять параметры движения спутников ГЛОНАСС. Другая отличительная особенность НКУ системы ГЛОНАСС состоит в использовании двух различных подсистем, связанных с координатными определениями спутников и коррекцией показаний спутниковых часов. К первой из них относится подсистема эфемеридного обеспечения, которая определяет и прогнозирует параметры движения спутников. Вторая представляет собой подсистемы частотно-временного обеспечения, которая ответственна за бортовую шкалу времени.

1.7. Сектор потребителя (приемно-вычислительный комплекс)

Среди основных составных частей глобальных систем позиционирования наибольший интерес для пользователей представляет при- емно-вычислительный комплекс, составляющий основу сектора потребителя. Этот сектор объединяет в себе все компоненты, позволяющие потребителю получать интересующую его информацию о местонахождении пункта наблюдений, о показаниях точного времени, а

51

применительно к движущи^ оектам — скорость и направление их перемещения.

Специфика работы прь.мно-вычислительного комплекса существенно зависит от той категории потребителей, на которые принято их подразделять. В частности эксплуатируемые в настоящее время системы GPS и ГЛОНАСС представляют собой системы двойного назначения, т. е. ориентированы на их использование как военными, так и гражданскими пользователями.

Характерная особенность работы аппаратуры, предназначенной для военных пользователей, состоит в том, что эта аппаратура должна работать оперативно и надежно в условиях проведения военных действий, обеспечивая при этом требуемую точность местонахождения не только неподвижных пунктов наблюдения, но и также таких движущихся объектов, как летательные аппараты, различного рода плавсредства и наземный транспорт. Применительно к таким условиям принимаются все меры для того, чтобы использование рассматриваемой системы позиционирования было недоступным для потенциального противника.

Гражданские пользователи упомянутых выше систем подразделяются на две основные подгруппы. Первая из них ориентирована на использование таких систем в навигации, а вторая — в геодезии. В настоящей публикации основное внимание уделено последнему направлению. Поскольку современное состояние системы ГЛОНАСС не позволяет успешно использовать ее для решения широкого круга геодезических задач, то основное внимание в этом разделе уделено описанию геодезических приемно-вычислительных комплексов, входящих в систему GPS.

1.7.1. Функции геодезического приемно-вычислительного комплекса

К основным функциям находящегося в распоряжении потребителя приемно-вычислительного комплекса могут быть отнесены следующие:

1)прием радиосигналов от наблюдаемых спутников;

2)организация определений регистрируемых величин;

3)выполнение предварительной обработки полученных результатов измерений непосредственно на пункте;

4)проведение в камеральных условиях так называемой «пост-об- работки», позволяющей получить окончательные значения интересующих потребителя величин.

Наряду с перечисленными выше функциями аппаратура потребителя совместно с прилагаемым к ней программным обеспечением

52

должна решать в полевых условиях и целый ряд вспомогательных задач, к которым относятся:

1) селекция принимаемых радиосигналов от конкретного спутника, т.е. отделение этого сигнала от сигналов всех других спутников, захват упомянутого сигнала и последующее его отслеживание на протяжении всего сеанса наблюдений;

2)демодуляция и декодирование принятых сигналов с целью их подготовки к выполнению измерений интересующих пользователя величин;

3)расшифровка передаваемого со спутника навигационного сообщения;

4)текущее управление всем процессом наблюдений и выполняемых в полевых условиях измерений;

5)предварительная обработка результатов измерений и организация их хранения с использованием тех или иных устройств памяти;

6)контроль за состоянием работоспособности всего приемного комплекса (самодиагностика), включая и контроль источников питания.

Все перечисленные выше функции реализуются на основе использования соответствующей структурной схемы приемной аппаратуры потребителя (рис.1.12) за исключением тех задач, которые решаются при выполнении «пост-обработки». Вопросы, связанные с обработкой материалов спутниковых наблюдений в камеральных условиях, рассмотрены в разделе 6.

1.7.2. Обобщенная структурная схема геодезического спутникового приемника

Поступающая в обращение от различных фирм-изготовителей геодезическая спутниковая аппаратура потребителя разнообразна, но отличительные особенности таких приемных устройств в большинстве случаев носят непринципиальный характер.

Исходя из этого представляется возможным рассмотреть обобщенную структурную схему GPS-приемника (см. рис. 1.12), которая позволяет обосновать необходимость использования приведенных на схеме основных компонентов такого приемного комплекса, их функции и взаимосвязь.

Из приведенной схемы следует, что входную часть GPS-приемника представляет антенное устройство, обеспечивающее прием радиосигналов от находящихся в поле зрения спутников. Выбранный тип и режим работы антенны оказывают существенное влияние не только на возможность приема сигналов от спутника, но и на точность производимых спутниковых измерений. С учетом этого рассмотрение основных особенностей работы антенного блоки вынесено в отдельный подраздел 1.7.3.

53

Непосредственно с выходом УПЧ связаны блок поиска и захвата, а также измерительный блок. Поиск осуществляется на основе использования кодово-корреляционных методов, которые будут рассмотрены в подразделах 1.7.4 и 1.7.5. После завершения поиска происходит захват сигналов. Упомянутый захват позволяет производить отслеживание соответствующих сигналов на протяжении всего сеанса наблюдений, в котором участвует «захваченный» спутник.

В измерительном блоке производится разделение принимаемых фазомодулированных колебаний на кодовые и чисто гармонические сигналы, от которых отделяются также сигналы, входящие в состав передаваемого со спутника навигационного сообщения. При этом первые два вида сигналов используются в блоке процессоров для вычисления искомых расстояний до спутников, причем на основе полученных значений псевдодальностей производится грубое определение координат, а в случае необходимости и вектор скорости перемещения подвижного объекта, на котором установлен приемник, вычисление различного рода поправок и корректировка измеренных величин. Что касается фазовых измерений, то в приемном устройстве осуществляется только предварительное их сглаживание и группировка с передачей таких «сырых» данных в запоминающее устройство (ЗУ). Как уже отмечалось ранее, окончательная обработка фазовых измерений производится на стадии «пост-обработки» в камеральных условиях. Входящий в состав приемника блок процессоров наряду с предварительными вычислениями осуществляет управление работой приемника в автоматическом режиме на основе заложенного в него программного обеспечения.

Показанный на структурной схеме пульт управления и индикации включает в себя клавиатуру и индикаторное табло, на котором по желанию оператора могут отображаться определяемые с помощью приемника величины, а также другая вспомогательная информация. Клавиатура позволяет оператору вводить необходимую буквенно-ци- фровую информацию, а также различного рода команды.

/.7.5. Антенные устройства спутниковых приемников

ипредъявляемые к ним требования

Как уже отмечалось в предыдущих разделах, основное назначение входящих в состав спутниковых приемников антенных устройств состоит в том, чтобы с наибольшей эффективностью производить преобразование распространяющихся в окружающем нас пространстве электромагнитных волн в соответствующие электрические сигналы,

55

которые можно передавать по электрическим цепям приемника, подвергая их усилению и различного рода преобразованиям.

Оценка качества применяемых в приемниках антенн принято характеризовать такими основными параметрами, как показатель преобразования, которое должно осуществляться с наименьшими энергетическими потерями (коэффициент усиления антенны), и показатель, характеризующий направленные свойства антенны (коэффициент направленного действия). Последний принято представлять в виде полярной диаграммы направленности. Применительно к спутниковым приемникам немаловажными являются и такие специфические для них показатели, как равномерность фазовой диаграммы направленности и стабильность положения фазового центра. Кроме того, спутниковые антенные устройства оцениваются степенью их защиты от влияния побочных, отраженных от окружающих объектов радиосигналов (влияние многопутности).

Для создания одинаковых условий приема для всех сигналов, поступающих от находящихся в поле зрения спутников, антенная система должна иметь диаграмму направленности в виде полусферы. Такая диаграмма направленности может быть сформирована на базе использования различных конструкций антенных систем дециметрового диапазона. К настоящему времени в спутниковых приемниках наибольшее распространение получили микрополосковые антенны (микрополосковые склейки), которые представляют собой своеобразную печатную плату с нанесенными на нее отдельными элементами антенны, при соответствующем соединении и фазировании которых удается сформировать требуемую диаграмму направленности.

Применительно к спутниковым GPS-приемникам используется понятие амплитудной и фазовой диаграммы направленности. При этом амплитудная диаграмма направленности оценивает в относительных единицах уровень сигнала на выходе антенны в зависимости от направления его прихода, а фазовая диаграмма направленности - временные (или фазовые) задержки этих сигналов при их прохождении через антенное устройство. Идеальной формой фазовой диаграммы направленности также, как и амплитудной, является полусфера, обеспечивающая одинаковую величину задержек сигнала независимо от направления их прихода. При обеспечении такой формы эти задержки удается исключить в случае использования разностных методов измерений.

На практике реальная форма фазовой диаграммы направленности несколько отличается от идеальной, в результате чего могут возникать ошибки в определении интересующих нас величин. При разработке высокоточных спутниковых приемников геодезического типа

56

стремятся к тому, чтобы уклонения реальной фазовой характеристики от идеальной не превышали 5-10 градусов, что соответствует ошибкам в определении расстояний на уровне около 3-5 мм.

Если приемник является двухчастотным, то для сигналов обеих частот (L1 и L2) формы диаграммы направленности должны быть по возможности идентичными.

Наряду с диаграммами направленности важным показателем антенного устройства спутникового приемника является понятие фазового центра, его положение и стабильность этого положения с течением времени. При этом под фазовым центром понимают ту, неподдающуюся геометрическим измерениям точку в антенной системе, от которой отсчитываются все измеряемые до спутников расстояния, а ее положение «привязывается» к положению соответствующей точки относимости на пункте наблюдения.

При использовании в приемнике конструкции антенны, симметричной относительно своей вертикальной оси, положение фазового ценра в горизонтальной плоскости совпадает, как правило, с положением упомянутой оси симметрии. Что касается смещения этого центра по вертикали, то такое смещение определяется на основе специальных исследований (чаще всего в процессе настройки и калибровки антенны). В высокоточных приемниках геодезического типа положение фазового центра стремятся определить на миллиметровом уровне точности и принимают все меры к тому, чтобы положение фазового центра не изменялось с течением времени. При таком подходе есть все основания для того, чтобы параметр, характеризующий положение фазового центра, записать в паспорт приемника и пользоваться им всякий раз как константой.

Еще одной специфической для спутниковых приемников характеристикой антенны является показатель невосприимчивости к приему сигналов, отраженных от подстилающей поверхности и других окружающих объектов. С этой целью стремятся к тому, чтобы устранить все лепестки диаграммы направленности, расположенные с нижней «тыльной» стороны антенны. Следует заметить, что попадание на антенну отраженных сигналов, прошедших отличный от прямых сигналов путь, приводит к возникновению ошибок в величине измеряемых расстояний. Наличие отраженных сигналов применительно к спутниковым измерениям получило название многопутности.

Для борьбы с влиянием многопутности очень часто используют ту особенность, что направления попадания на антенну прямых и отраженных радиоволн в большинстве случаев существенно различаются. В связи с этим одна из мер борьбы с влиянием многопутности состоит в том, чтобы сформировать такую диаграмму направленности

57