Сегмент контроля и управления

Для поддержания постоянной работоспособности всего космического сектора и для систематического обновления передаваемой потребителю информации, которая нуждается в периодической корректировке, в современных глобальных спутниковых системах позиционирования (таких, например, как GPS и ГЛОНАСС) предусматривается специальный постоянно действующий сектор, получивший название сектора управления и контроля – в отечественной литературе этот сектор часто называют также наземным комплексом управления.

Данный сектор призван выполнять следующие функции:

- осуществлять непрерывное отслеживание всей передаваемой

спутниками информации;

- производить обобщение и анализ такой информации с целью

своевременной корректировки всех используемых при дальнейшей

обработке показателей;

- на основе выполняемого анализа предсказывать эфемериды

наблюдаемых спутников и передаваемое со спутников потребителям

точное время;

- через строго определенные интервалы времени формировать обновленные навигационные сообщения и передавать такие сообщения по радиоканалу на соответствующие спутники;

- выявлять неисправности в работе спутников и принимать меры по их устранению;

- осуществлять корректировку орбит спутников не только за счет введения соответствующих поправок, но и посредством дистанционного управления реактивным двигателем, находящимся на борту спутника.

Среди различных контролируемых и корректируемых параметров

повышенное внимание уделяется периодическим уточнениям эфемерид и показаний часов спутников.

Определение уточненных текущих значений эфемерид отдельных спутников, используемых при вычислении соответствующих поправок в предсказанные их значения, осуществляется методом пространственной линейной засечки. При этом производятся одновременные измерения расстояний до конкретного спутника по крайней мере с трех находящихся на земной поверхности пунктов, координаты которых хорошо известны. Корректировка показаний спутниковых часов осуществляется посредством сравнения принятых по радиоканалу отсчетов времени по этим часам с соответствующими показаниями наземных опорных часов, входящих в состав сектора управления и контроля.

Наряду с отмеченными показателями данным сектором постоянно контролируются и корректируются поправки, обусловленные влиянием атмосферы. Реализация перечисленных функций рассматриваемого сектора

базируется на четком взаимодействии входящих в этот сектор таких станций различного назначения, как станции слежения, ведущая станция и загружающие станции. Ниже приведена краткая информация о специфике работы упомянутых станций и их взаимодействии.

Рабочий сектор управления и контроля GPS-системы состоит из одной ведущей станции управления, пяти станций слежения и трех загружающих станций. Пять станций слежения, которые часто называют мониторинговыми станциями, осуществляют круглосуточные отслеживания спутников. Они равномерно распределены по всему земному шару. В частности, такие станции расположены на островах Вознесения и Гавайи, на атоллах Кваджалейн и Диего-Гарсия. Одна из станций совмещена по своему местоположению с ведущей станцией, находящейся в Колорадо-Спрингс (США).

Отслеживание спутниковых сигналов осуществляется с помощью двухчастотных специализированных приемников, оборудованных атомными (цезиевыми) часами. Координаты этих станций известны с высокой степенью точности. Рассматриваемые станции слежения работают полностью в автоматическом режиме, а их управление осуществляется с ведущей станции.

С помощью данных станций производят измерения расстояний до всех находящихся в поле зрения спутников, принимают со спутников навигационные сообщения на частотах L1 и L2, в результате чего имеется возможность определять текущие поправки, обусловленные влиянием ионосферы. Кроме того, регистрируется точность хода спутниковых часов. Наряду с этим в местах расположения станций слежения собирают и ретранслируют на ведущую станцию метеорологические данные, относящиеся к местным условиям. К таким данным относятся температура, давление и влажность воздуха, так что тропосферные задержки передаваемых со спутников сигналов могут быть опре-

делены и откорректированы.

Определение расстояний до спутников производится на основе использования кодовых сигналов. При этом псевдодальности на станциях слежения измеряются с точностью около 2,5 м каждые полторы секунды. На основе таких измерений уточняются текущие значения эфемерид спутников и осуществляется их предсказание на ближайшее будущее.

В процессе наблюдений с помощью станций слежения регистрируются радиосигналы от всех находящихся в поле зрения спутников, угол возвышения которых над горизонтом превышает 5°. Однако в обработку принимают только те измерения, которые соответствуют углам возвышения более 15°, так как при малых значениях этих углов существенно возрастают тропосферные задержки, что может приводить к нежелательному понижению точности измерений, которые используются для предсказаний эфемерид спутников.

Ведущая станция управления, находящаяся в Колорадо-Спрингс

(США), является рабочим центром всей системы GPS. Операции управления целиком закреплены за этой станцией. Она непрерывно собирает информацию от всех перечисленных выше станций слежения.

Упомянутая информация используется для вычисления будущих орбит как функций времени, а также для определения поправок к показаниям часов спутников. Наряду с этим осуществляется формирование навигационного сообщения с параметрами орбиты для индивидуального спутника и с поправками к показаниям его часов, а также альманаха, который включает в себя краткую информацию о всех спутниках. Три раза в сутки навигационное сообщение передается на спутники с помощью загружающих станций.

Ведущая станция непрерывно оперирует с большим количеством параметров системы, важнейшими из которых являются текущие координаты спутников и сигналы точного времени. Входящие в состав ведущей станции высокоточные часы выполняют роль опорных часов для всей системы GPS. Эти часы устанавливают временной масштаб GPS и непосредственно связаны с национальным стандартом времени США.

Все другие часы оцениваются посредством сравнения с опорными часами, в результате чего осуществляется синхронизация всех часов GPS. Через станции загрузки ведущая станция может корректировать орбиты спутников, как за счет введения соответствующих поправок, так и с помощью управления находящимся на борту спутника реактивным двигателем. Кроме того, данная станция может управлять режимом работы активных резервных спутников, переводя их в необходимых случаях в рабочий режим.

Три наземные загружающие станции расположены на атоллах Диего-Гарсиа и Кваджалейн, а также на острове Вознесения. Входящие в их состав антенные устройства представляет собой большие параболические зеркальные антенны диаметром около 10 м. Они используются для передачи навигационных сообщений, а также команд управления на спутники. Передача осуществляется на частоте 1783,74 МГц. Для приема этих сигналов на спутнике в составе спутникового аппаратного комплекса предусмотрено соответствующее приемное устройство, информация с выхода которого поступает в модуль памяти.

Для обеспечения бесперебойной работы сектора управления и контроля все основные составные части системы продублированы. Как уже отмечалось ранее, принимаемая каждой из пяти станций слежения информация от находящихся в поле зрения спутников дополняется местной информацией, а затем передается в «он-лайновом» режиме (т. е. в темпе поступления информации) по специально предусмотренному для этих целей каналу связи на ведущую станцию, представляющую собой достаточно мощный вычислительный центр. Получаемая после соответствующей обработки информация в виде обновленного навигационного сообщения и других служебных команд поступает по каналу связи на загружающие станции, которые передают упомянутую информацию конкретно на тот спутник, для которого предназначена эта информация. Наряду с описанной выше постоянной циркуляцией потока информации, позволяющей обновлять содержание поступающих потребителю сведений, на головной (ведущей) станции формируется банк данных, содержащий вычисляемые значения эфемерид, точность которых существенно выше точности предсказываемых эфемерид, которые сбрасываются потребителю со спутника в составе навигационного сообщения. По запросу такие уточненные значения эфемерид поставляются потребителям, заинтересованным в получении результатов спутниковых геодезических измерений повышенной точности.

Кроме официальной сети слежения существуют другие сети, определяющие эфемериды спутников по факту в момент наблюдения и

не принимающие участия в управлении системой. Наиболее обширной из таких сетей является Объединенная международная сеть GPS (CIGNET), контролируемая Национальной геодезической службой США (NGS). К началу 1991 г. существовало около 20 станций этой сети. CIGNET ежедневно передают данные слежения в головной вычислительный центр NGS, расположенный в Роквилле, штат Мериленд. Данные от остальных станций принимаются с задержкой от 2 до 7 суток. Все поступившие от станций слежения данные обрабатываются и в течение суток поступают в обращение по модемной связи. Другой крупной сетью слежения является сеть Международной службы GPS для геодинамики (IGS).

Сердцем Контрольного сегмента является Главная станция управления,

находящаяся на военно-воздушной базе Шривер (часто называемой Фалкон),

около г. Колорадо Спрингс (шт. Колорадо, США). Главная станция управляет

системой и обеспечивает командные и контрольные функции. Главными

функциями Контрольного сегмента являются:

• отслеживание орбит спутников,

• отслеживание и поддержка рабочего состояния спутников,

• формирование системного времени GPS Time,

• расчет эфемерид спутников и параметров часов,

• обновление спутниковых навигационных сообщений,

• осуществление небольших маневров спутников для поддержания орбит

(по мере необходимости).

База ВВС Шривер является местом размещения 50-го космического соединения США - подразделения командования воздушно-космических сил. Она занимает площадь 15.5 кв. км и насчитывает в штате 3800 военнослужащих, гражданских специалистов министерства обороны и специалистов, служащих по контракту. Непосредственной работой по управлению созвездия спутников занимается 2-ой дивизион космических операций. Руководство работами по обслуживанию спутников осуществляют с пункта космических операций им. Джека Швигерта (Швигерт являлся астронавтом и командиром-пилотом корабля Аполлон 13).

Транслируемое спутниками навигационное сообщение обычно загружается минимум один раз в сутки. Возможность измерять дальности

между спутниками Блоков IIR и IIF позволит спутникам автоматически

обновлять их навигационные сообщения и работать продолжительное время

без контакта с Контрольным сегментом (спутники Блока IIA могут работать

без контакта с Контрольным сегментом до 180 суток, уточняя свои орбиты на

основе измерений спутник-спутник). Когда действует функция Autonav,

Контрольный сегмент продолжает отслеживать сигналы, выявляя

недопустимые условия для параметров навигационного сообщения и составляя расписание для новых загрузок, если они потребуются [Misra and Enge, 2001].

Важная функция Контрольного сегмента – поддержка системы отсчета WGS-84. Эта система отсчета доступна пользователям GPS черезспутниковые эфемериды, вычисленные по данным, собранным на станцияхмониторинга. Если какая-либо организация пожелает вычислить своиспутниковые орбиты (например, из пост-обработки данных наблюдений GPS,собранных со своей собственной наземной сети приемников), то полученнаясистема отсчета будет определяться системой координат (или фиксироваться) станции наблюдения в этой системе. Это может быть и не WGS-84, но обычно очень близкая к ней система отсчета.