Модернизация системы глобального позиционирования (GPS)

Введение

Более двух десятилетий прошло со времени создания сегмента оперативного контроля (OCS), включающего Центральную Станцию Управления (MCS) в Шривере, Колорадо (Schreiver AFB, Colorado) и станций наблюдения по всему миру; запуска первых спутников GPS. За это время были разработаны, построены и запущены несколько поколений спутников, работа системы постоянно поддерживалась сегментом оперативного контроля. Сегодня GPS входит в новое тысячелетие с далеко идущей программой модернизации системы как на земле, так и в космосе. Эта статья описывает цели, средства, проектные параметры и планы по реализации данной программы модернизации стоимостью более 1 миллиарда долларов в грядущем десятилетии.

Министерство Обороны США (DoD) первоначально разрабатывало систему глобального позиционирования (GPS) в 70-х годах только как спутниковую навигационную систему для решения военных задач. В начале 80-х федеральная комиссия по радио- и навигационному планированию провела объединение разработок Министерства Обороны и Министерства Транспорта (DoT) в области дальнейшего преобразования системы в глобальный инструмент для местоопределения, навигации и синхронизации времени (PNT - positioning, navigation, and timing).

В 1996 году федеральная политика в области планирования и развития GPS была подкреплена Президентской Директивой (PDD - Presidential Decision Directive) (NSTC-6), определяющей политику США в области GPS. Директива указывала стратегическое направление в управлении и использовании GPS, предполагая решение широкого спектра задач в военных, гражданских, коммерческих и научных интересах, как для США, так и для пользователей во всем мире.

Эта директива также определила роль и ответственность каждой из служб: Министерства Обороны, Министерства Транспорта и Государственного департамента. В дальнейшем был организован межведомственный исполнительный комитет (IGEB - Interagency GPS Executive Board) для управления системой GPS и ее развитием на правительственном уровне.

Цели модернизации

Первое заседание IGEB состоялось в 1997 году. Главной темой для обсуждения стал разговор о необходимости введения дополнительных гражданских GPS сигналов для совершенствования услуг предоставляемых неограниченному числу гражданских и коммерческих пользователей. В результате IGEB приняла решение выделить вторую гражданскую частоту в течение года. В совокупности с уже существующими разработками ВВС США по объединению потребностей гражданских и военных пользователей в обновленный документ, содержащий эксплуатационные требования (ORD - operational requirements document), эти действия стали основой для начала программы модернизации системы GPS.

Гражданские задачи

Услуги стандартного местоопределения (SPS - Standard Positioning Service) предоставляются пользователям для гражданского, коммерческого и научного использования непрерывно и на территории всего мира без взимания прямой платы за использование сигналов GPS. На сегодняшний момент гражданским пользователям системы полностью доступен только один SPS сигнал (кодированный с помощью C/A-кода на частоте L1). Поэтому, с точки зрения гражданских пользователей основной задачей модернизации является предоставление для них дополнительных кодированных сигналов.

В 1998 году вице-президент Гор заявил, что второй гражданский сигнал будет транслироваться на частоте 1227.6 Мгц, известной как GPS частота L2. В настоящее время эта частота модулируется только с помощью P(Y) кода, используемого военными и авторизованными пользователями. (Y-код основан на шифровании точного P-кода, делая его доступным только для авторизованных пользователей.) Вице-президент также отметил, что третий гражданский сигнал, предназначенный специально для служб спасения, начнет передаваться с 2005 года.

Опираясь на итоги напряженной работы рабочих групп, созданных под началом IGEB, в январе 1999 года была выбрана частота для третьего гражданского сигнала, известного сегодня как L5. L5 будет располагаться на частоте 1176.45 Мгц в диапазоне выделенном для служб авиационной радионавигации (ARNS - aeronautical radionavigation services). Расположение сигнала в диапазоне ARNS необходимо для использования всех доступных сигналов при обеспечении безопасности полетов в авиации. Результаты внесения изменений в структуру GPS сигнала показаны на Рисунке 1.

Для пользователей GPS, работающих в автономном режиме в реальном масштабе времени (без использования дифференциальной коррекции) добавление второго и третьего гражданского сигнала обеспечит избыточность сигналов, улучшит точность местоопределения, доступность сигнала и его целостность (исключая временное появление “некачественного” сигнала), продлит время непрерывной работы и повысит устойчивость к радиочастотным (RF) помехам.

Два новых дополнительных кодированных гражданских сигнала (C/A – код на частоте L2 и новый сигнал на частоте L5) также улучшат работу пользователей в приложениях, связанных с высокоточными измерениями (часто называемыми кинематикой в реальном времени – RTK) на длинных и коротких базовых линиях – таких как обеспечение точного захода самолетов на посадку и автоматическое приземление, картографирование, геодезические и геофизические измерения, прецизионное фермерство и многих других.

Военные задачи

В дополнение к предоставлению услуг SPS, Президентская Директива 1996 года и подзаконные акты (National Defense Authorization Act for Fiscal Year 1998, Public Law 105-85, section. 2281, November 18, 1997) также обязывают правительство США и Министерство Обороны предоставлять услуги точного местоопределения (PPS - Precise Positioning Service) для военных и прочих авторизованных пользователей. В дальнейшем политика предусматривает развитие мероприятий, направленных на предотвращение использования системы GPS и после ее модернизации силами противника, таким образом, чтобы США и союзники сохраняли военное преимущество без нарушения работы гражданских пользователей GPS.

Говоря другими словами, это часто называют принципом “трех П”:

• Protection – Защита военных сил на театре военных действий
• Prevention – Предотвращение использования GPS противником
• Preservation – Сохранение качества предоставления гражданских услуг GPS за пределами театра военных действий

Для успешного выполнения принципа “трех П” военные должны иметь возможность выборочно отключать сигналы GPS на определенных территориях, на которых эти сигналы могут быть использованы для осуществления враждебных намерений, в то же время авторизованные пользователи PPS сервиса должны без помех продолжать военные операции. Спектральное разделение гражданского и военного сигналов представляется ключевым моментом, благодаря которому подобные функции могут быть реализованы. Как результат, модернизация системы, ориентированная на оборонные задачи сводится к вводу новых военных кодов, называемых в совокупности M-кодом, которые будут использовать те же области спектра радиосигнала, которые частично используются на частотах L1 и L2 отличающимися по спектру C/A – кодами на этих же частотах (см. Рисунок 1).

Новый военный сигнал и структура кода также будут дополнены криптографической защитой и изменениями в формате сообщений передаваемых данных. Основываясь на обоснованном требовании к повышенной мощности военного сигнала, GPS спутники следующего поколения будут способны передавать при необходимости M-кодированные сигналы в требуемом регионе с мощностью на 20dB (2138 dBW) больше, чем у существующего P(Y)-кода. Все эти улучшения системы позволят военным силам США и их союзникам значительно усилить помехозащищенность и расширить возможности защиты сигнала при проведении военных операций во всем мире.

Усовершенствование существующих сигналов

Реализация новой структуры сигнала является краеугольным камнем усовершенствованного сервиса, предоставляемого системой GPS сообществу ее пользователей, как гражданских, так и военных. Однако для гражданских пользователей первый реальный шаг в модернизации системы произошел в начале этого года, когда в полночь на 1 мая 2000 года согласно директиве Президента Клинтона был отключен режим снижения точности, известный как режим избирательного доступа (SA - Selective Availability), в предоставляемых GPS услугах стандартного местоопределения (SPS). Рисунок 2 показывает эффект этого “магического момента”.

С тех пор как режим избирательного доступа был отключен, пользователи GPS постоянно получают горизонтальную точность в SPS лучше 10 метров. Однако по менее оптимистичной оценке (основанной на параметрах, описанных в спецификации GPS SPS сигнала второй редакции от 2 июня 1995 года) точность составит: 22 метра в горизонтальной плоскости (95% вероятность), 33 метра в вертикальной плоскости (95% вероятность) и 200 наносекунд (95% вероятность), относительно всеобщего скоординированного времени (UTC - Coordinated Universal Time) - международного стандарта временной синхронизации.

Без всяких дополнительных пользовательских затрат на оборудование, отключение режима избирательного доступа дает миллионам пользователей GPS во всем мире значительные преимущества в реализации широкого круга их задач. Некоторые примеры этому обсуждаются на нижней колонке “Отключение SA – некоторые очевидные преимущества”.

Обновление спецификации сигнала GPS гражданского применения.

Спецификация (технические условия) GPS SPS сигнала – основной документ, благодаря которому должен быть достигнут требуемый уровень гражданского навигационного сервиса GPS. Поскольку это чрезвычайно важно для всех гражданских пользователей, те характеристики системы, которые планируется развивать, должны точно соответствовать самым строгим требованиям к безопасности использования системы.

Действующая сегодня спецификация сигнала была опубликована еще в 1995 году. Многие из эксплуатационных параметров в этом документе – такие как покрытие, доступность и надежность были определены еще до того момента, когда космическая группировка системы GPS достигла начального рабочего режима в декабре 1993 года. Следовательно, спецификация сигнала SPS нуждается в обновлении с учетом опыта эксплуатации и отслеживаемых характеристик системы за последние шесть с половиной лет, включая коренные изменения в точности вследствие отключения режима SA. Министерство Обороны и Министерство Транспорта США работают над изменением спецификации сигнала в направлении отражающем точность уже достигнутую системой GPS. Ожидается, что третья версия спецификации GPS SPS сигнала, третья редакция, будет опубликована в конце года.

Прохождение атмосферы

Следующим крупнейшим фактором, вносящим ошибку в точность позиционирования GPS, после отключенного SA является задержка сигнала при прохождении им земной атмосферы. Поскольку военные пользователи системы постоянно имеют полный доступ к двум частотам и сигналам в режиме PPS, это позволяет им исправлять ионосферную ошибку путем формирования линейной комбинации измерений псевдодальностей по частотам L1 и L2 для математического расчёта и устранения практически всех систематических ионосферных ошибок из измерений по частоте L1. Для компенсации ионосферной ошибки в гражданских приложениях некоторые производители приёмников разработали инновационную технологию, позволяющую использовать компоненты зашифрованного Y-кодом сигнала для обработки ионосферного эффекта. Однако для корректного функционирования этим, так называемым полу-кодовым приёмникам, необходим приём сигнала на частоте L2 со значением отношения сигнал-шум (SNR - signal-to-noise ratio) значительно более высоким, чем у двухчастотных военных PPS приёмников.

В итоге, даже несмотря на то что высокое значение SNR может быть получено при стационарном позиционировании, во многих случаях это препятствует эффективному использованию такой технологии. Например, когда приемник находится на движущемся автомобиле или происходит ионосферное мерцание, приёмник теряет захват принимаемого сигнала и требуется несколько минут на восстановление приёма сигнала, необходимого для точного позиционирования.

То же верно в случае, когда приемник должен отслеживать спутники сквозь листву или же при наличии многолучевости. Подводя итог сказанному, гражданский доступ к дополнительным кодированным сигналам позволит увеличить точность с помощью ионосферной коррекции для динамических приложений даже при сложных условиях с радиочастотными помехами или многолучевости (наличие переотражённых GPS сигналов).

Использование C/A-кода на частоте L2 совместно с L1 уменьшит типичную ионосферную ошибку с 7.0 метров до 0.01 метра. Это позволит достичь точности в автономном режиме лучше 8.5 метров (95% вероятность), сравните с примерно 22.5 метрами (95% вероятность) при использовании только частоты L1. Чтобы реализовать передачу C/A-кода на частоте L2 будет пересмотрен контракт с корпорацией Lockheed Martin, для обеспечения модернизации последних 12 GPS спутников серии Block IIR, предназначенных для замены спутников, отработавших свой ресурс на орбите. Новые военные коды на частотах L1 и L2 также будут добавлены в результате модернизации этих спутников, как показано на Рисунке 3.

Добавление третьего гражданского сигнала

Во время процесса подбора IGEB гражданского сигнала стало очевидно, что простое добавление C/A-кода на частоте L2 не будет достаточным для использования системы GPS в приложениях, связанных с обеспечением безопасности полетов гражданской авиации, поскольку существует потенциальная опасность внесения помех наземными радарами, работающими на частотах расположенных рядом с частотой L2. Применение частоты L2 (необходимой для обеспечения безопасности полетов) в международном диапазоне ARNS потребует изменения частот многих наземных устройств для вывода их за пределы перекрывающегося диапазона. Правительственные агентства США произвели предварительные расчеты стоимости таких работ и сделали вывод, что она будет слишком высока.

Взамен этого, как наилучший вариант для гражданской авиации был предложен новый широкополосный GPS сигнал в полосе частот от 1164 до 1188 МГц, расположенный частично в спектре радиочастот, где уже находится ARNS. Однако новое размещение сигнала Радионавигационного спутникового сервиса космос - земля (RNSS - Radio Navigation Satellite Service) должно было быть утверждено. В мае 2000 года Мировая радио-конференция (World Radio Conference) утвердила положение расположение RNSS в частотном диапазоне от 1164 до 1215 МГц.

Средства передачи третьего гражданского сигнала на частоте 1176.45 Мгц (L5) будут установлены на первом спутнике серии Block IIF, производства фирмы Боинг (Boeing), так же как и для передачи C/A-кода на частоте L2 и M-кода на частотах L1 и L2, как показано на Рисунке 4.

Сигнал на частоте L5 был специально разработан так, чтобы несколькими способами улучшить его характеристики по сравнению с существующим C/A-кодом на частоте L1. Мощность сигнала L5 будет больше на 6 dB, чем у сигнала L1 (2154 dBW и 2160 dBW соответственно). Это аналогично разделению синфазного (I) канала данных и квадратурного (сдвинутого по фазе на 90° ) (Q) канала без передачи данных, позволяющего усилить устойчивость к помехам, особенно от других импульсных излучающих систем, работающих в полосе частот L5. Последние, включая дальномерные системы (DME - Distance Measuring Equipment), в настоящее время используются для навигации на маршруте и в аэропортах; в объединенной тактической информационной системе (JTIDS - Joint Tactical Information System) для передачи важных сообщений и управления. Составляющая нового сигнала, в которой отсутствуют данные, также позволяет обеспечить наиболее устойчивое отслеживание фазы несущей, необходимой для большинства приложений. Полоса пропускания передающего канала минимум 20 Мгц и высокая скорость передачи позволят достичь более высокой точности даже при наличии шума и переотражений. Кроме того, использование кода, более длинного, чем C/A-коды на частотах L1 и L2, уменьшит внутренние помехи системы, обусловленные внутренней взаимной корреляцией CDMA.

Преимущества использования сложных сигналов ARNS из космоса значительны. Например, при использовании двухчастотной авиационной радиоэлектроники, работающей на частотах L1/L5, станет возможно вычислять ионосферную задержку непосредственно с помощью бортовой аппаратуры. Это позволит получить возможность использования как глобальной навигации, так и систем точного захода на посадку с минимальным инвестированием в наземную инфраструктуру SBAS (Space-based Augmentation Systems) для большинства стран. Благодаря использованию двухчастотной авионики станет возможным использование меньшего числа опорных станций (reference stations) при одновременном охвате системой SBAS всего мира, обеспечивающем международные потребности гражданской авиации в навигационном обеспечении.

Федеральная авиационная администрация (FAA - Federal Aviation Administration) также планирует передавать сигнал L5 с помощью SBAS, известной также как WAAS (GPS Wide Area Augmentation System). Разработанная для WAAS структура сигнала L5 похожа на структуру сигнала GPS L5, за исключением того, что будет использована только одна несущая частота (без Q канала) и увеличена скорость передачи данных.

Как показано на Рисунке 5, частота L5 будет доступна для навигации на маршрутах практически в любом уголке мира, даже там, где развернуты существующие дальномерные (DME) системы. Исключение составляют ограниченные пространства в США, Европе и Японии, где станции DME расположены с высокой плотностью. Федеральная авиационная администрация (FAA) планирует перераспределить станции DME таким образом, чтобы обеспечить беспрепятственное использование L5 в аэрокосмической системе США на больших высотах. Вблизи поверхности земли, где работает большинство неавиационных пользователей GPS, помехи на частоте L5 от систем DME несущественны (см. Рисунок 6).

Усовершенствование наземной аппаратуры

Обновление сегмента оперативного контроля (OCS), показанное на Рисунке 7, отражает часто упускаемую, но весьма существенную часть общей программы модернизации системы. Некоторые усовершенствования направленные на развитие возможности отслеживания всех сигналов, передаваемых космической группировкой системы GPS, делают сеть оперативного контроля более устойчивой, улучшают точность позиционирования как для военного, так и для гражданского сервиса и добавляют новые функции для управления модернизированными спутниками. Описанные выше усовершенствования включают:

• Усовершенствование существующих станций мониторинга GPS и их наземных антенн с установкой новых цифровых приемников и компьютеров
• Замена компьютеров главной станции управления на сеть с распределенной архитектурой
• Реализация инициативы увеличения точности (AII - Accuracy Improvement Initiative), интеграция с сетью спутникового контроля ВВС США и обеспечение полной совместимости со спутниками серии IIR
• Ввод в действие дублирующей станции оперативного контроля (AMCS - Alternate Master Control Station) на авиабазе Ванденберг (Vandenberg)
• Добавление функций управления и контроля для спутников серии IIF

Вдобавок к другим эксплуатационным функциям, таким как мониторинг исправности спутников и их положения на орбите, наземная сеть управления определяет эфемериды (орбитальное положение) и параметры хода часов спутников, входящих в космическую группировку GPS, и загружает эти данные на спутники. В существующей конфигурации MCS использует индивидуальные “мини фильтры Калмана”, усредняющие ошибки орбит и хода часов для каждого из спутников GPS, также как и для приёмников станции мониторинга. Обновленные данные элементов орбиты и коррекции часов загружаются на каждый спутник как минимум один раз в день.

Поскольку атмосферные ошибки были устранены (с помощью двухчастотных методов, описанных ранее), эфемериды и ошибки хода часов становятся самым значимым фактором, вносящим ошибку в точность определения местоположения GPS. В существующей конфигурации космической группировки GPS ошибки хода часов и эфемерид составляют от 1.8 до 1.4 метра, соответственно для эквивалентной пользовательской ошибки дальности (UERE - user equivalent range error) суммарная ошибка составляет 2.3 метра. Новая технология, называемая инициативой увеличения точности (AII - Accuracy Improvement Initiative), позволит уменьшить влияние ошибки хода часов и эфемерид до уровня UERE порядка 1.25 метров. Это будет достигнуто с помощью объединения данных с 6 до 14 дополнительных станций мониторинга, управляемых Национальным агентством картографии (NIMA - National Imagery and Mapping Agency), в новую, полностью коррелированную, Центральную станцию управления (MSC), использующую единый фильтр Калмана. Ожидается, что это позволит достичь точности позиционирования в горизонтальной плоскости не менее 6 метров (95% вероятность) для всех пользователей GPS, работающих в автономном режиме (Подробную информацию о AII вы можете увидеть в колонке “Инновации”, GPS World за июнь 2000 года).

Программа GPS BLOCK III

Текущая программа модернизации с заменой космической группировки системы должна быть выполнена до 2010 года (когда будут запущены все 12 спутников серии Block IIF). Для обеспечения гражданских и военных задач в период до 2030 года IGEB принял рекомендации Министерства Обороны по разработке нового поколения спутников (серии Block III) и соответствующей наземной сети управления для использования ее после 2010 года.

Цель программы GPS Block III в том, чтобы добиться создания такой архитектуры GPS, которая будет удовлетворять и уже имеющимся и растущим потребностям как военных, так и гражданских пользователей. В конце лета 2000 года Министерство Обороны начало исследования, которые должны помочь в определении вариантов решения и концепции построения архитектуры системы, уточняющих и обосновывающих ее характеристики. Для военных, основные требования которых не могут быть удовлетворены до вывода на орбиту спутников серии Block III, ключевым является требование к повышению мощности M-кодированного сигнала (2138 dBW по сравнению с 158 dBW) для повышения устойчивости сигнала к искусственным и природным помехам на географически ограниченной оперативной территории.

Исследование архитектуры GPS Block III также призвано разработать концепции оптимизации стоимости, разработку календарного плана выполнения и эксплуатационных характеристик, оценку рисков и применяемых в системе технологий. Все эти концепции должны учитывать альтернативные решения и связи как внутри системы GPS, так и за ее пределами, включая возможности взаимодействия, объединения, и/или использования существующих или развивающихся военных и гражданских систем.

Календарный план выполнения работ

Существует текущий план выполнения работ по модернизации системы GPS. Исходя из этого плана, можно ожидать начала работы двухчастотной навигации уже в 2008 году, при этом на орбите должны быть размещены 18 спутников, передающих C/A-код на частоте L2. Аналогично, следует ожидать трансляции сигнала L5 с 18 спутников ориентировочно в 2012 году. Достижение такого уровня работы системы потребует запуска 6 из 12 спутников серии GPS Block III. Модернизация сегмента оперативного контроля будет выполнена в несколько этапов, в промежуток времени от 2000 до 2008 года для поддержки спутников различных серий: GPS IIR, IIF, и Block III.

Заключение

Система GPS модернизируется для дальнейшего развития характеристик позиционирования, навигации и временной синхронизации в интересах гражданских и военных пользователей. Первым шагом в модернизации системы стало отключение режима селективного доступа (SA), за этим последует целая серия мероприятий, включающих:

• приближающийся пересмотр спецификации сигнала GPS SPS,
• добавление C/A-кода на частоте L2 и M-кодов на частотах L1 и L2 начиная с 2003 года,
• добавление третьего гражданского сигнала (L5), разработанного совместно с авиационными пользователями и службами обеспечения безопасности начиная с 2005 года,
• модернизация наземной сети управления для повышения надежности эксплуатации и точности системы,
• программа GPS Block III для увеличения мощности военных сигналов с M-кодом, направленная на реализацию дополнительных возможностей системы в области позиционирования, навигации и временной синхронизации, которые не были реализованы текущей программой в интересах гражданских и военных пользователей.

Как показано на Рисунке 8, все эти действия позволят улучшить точность автономного местоопределения в горизонтальной плоскости со 100 до 6 метров или точнее. Для научных и геодезических измерений, не использующих режим реального времени, любых не динамических приложений, сантиметровый уровень точности будет достигаться быстрее и с меньшими затратами, чем сейчас. Это станет возможным благодаря использованию трех частот с “широкой полосой” (L1-L5, L1-L2 и L2-L5) для разрешения неоднозначности при выполнении высокоточных фазовых измерений. И что наиболее важно, три спектрально разделенные гражданские частоты в комбинации с улучшенными характеристиками сигнала значительно уменьшат шансы воздействия на систему GPS любых случайных помех.

Спектральное разделение гражданского и военного сервиса GPS с помощью реализации новых военных сигналов является дополнительным усовершенствованием системы. Это позволит получить практические преимущества всем без исключения пользователям GPS и поможет сохранить двойную роль системы как мощного инструмента для военных сил и в равной степени как глобального информационного ресурса для гражданских пользователей всего земного шара. Давая огромные потенциальные возможности гражданским и военным пользователям, это станет прекрасным достижением для будущих пользователей.

Перевод статьи опубликованной в GPS World, Октябрь 2000 г.

Авторы:

Michael Shaw. В настоящее время работает в Министерстве Транспорта США. Отвечает за политику и планирование внедрения радионавигационных систем, включая GPS. Ранее работал в офисе помощника военного министра, где разрабатывал и координировал политику, планирование и стратегию применения GPS Министерством Обороны США. Был штурманом в ВВС США и позднее командовал подразделением, ответственным за управление космической группировкой GPS. Также являлся руководителем проекта по внедрению GPS в Федеральной Авиационной Администрации (FAA).

Kanwaljit Sandhoo. Работает ведущим инженером в Центре развития передовых авиационных систем (CAASD) корпорации MITRE. Был привлечен IGEB к работе над программой модернизации GPS как технический консультант от FAA. Одним из первых определил необходимость и выгоды от использования дополнительного GPS сигнала для использования в гражданской авиации.

David Turner. Главный инженер проекта Аэрокосмической корпорации. В настоящее время включен в штат секретариата IGEB. Ранее исследовал проблемы реализации политики и технологии GPS в Службе исследований конгресса и Национальном исследовательском совете.