Космический сегмент, состоящий из навигационных спутников, представляет собой совокупность источников радионавигационных сигналов, передающих одновременно значительный объем служебной информации. Основные функции каждого спутника - формирование и излучение радиосигналов, необходимых для навигационных определений потребителей и контроля бортовых систем спутника.
В состав наземного сегмента входят космодром, командно-измерительный комплекс (КИК) и центр управления.
Космодром обеспечивает вывод спутников на требуемые орбиты при первоначальном развертывании навигационной системы, а также периодическое восполнение спутников по мере их выхода из строя или выработки ресурса. Главными объектами космодрома являются техническая позиция и стартовый комплекс. Техническая позиция обеспечивает прием, хранение и сборку ракет-носителей и спутников, их испытания, заправку и состыковку. В число задач стартового комплекса входят: доставка носителя с навигационным спутником на стартовую площадку, установка на пусковую систему, предполетные испытания, заправка носителя, наведение и пуск.
Командно-измерительный комплекс служит для снабжения навигационных спутников служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля и управления ими как космическими аппаратами.
Центр управления, связанный информационными и управляющими радиолиниями с космодромом и командно-измерительным комплексом, координирует функционирование всех элементов спутниковой навигационной системы.
В пользовательский сегмент входит аппаратура потребителей. Она предназначается для приема сигналов от навигационных спутников, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированный встроенный компьютер. Разнообразие существующей аппаратуры потребителей обеспечивает потребности наземных, морских, авиационных и космических (в пределах ближнего космоса) потребителей.
Современная спутниковая навигация основывается на использовании принципа беззапросных дальномерных измерений между навигационными спутниками и потребителем. Это означает, что потребителю передается в составе навигационного сигнала информация о координатах спутников. Одновременно (синхронно) производятся измерения дальностей до навигационных спутников. Способ измерений дальностей основывается на вычислении временных задержек принимаемого сигнала от спутника по сравнению с сигналом, генерируемым аппаратурой потребителя.
На рисунке приведена схема определений местоположения потребителя с координатами x, y, z на основе измерений дальности до четырех навигационных спутников. Сплошными линиями показаны окружности, в центре которых расположены спутники. Радиусы окружностей соответствуют истинным дальностям, т.е. истинным расстояниям между спутниками и потребителем. Пунктирные линии – это окружности с радиусами, соответствующими измеренным дальностям, которые отличаются от истинных и поэтому называются псевдодальностями. Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов b, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени. На рисунке показан случай, когда уход часов потребителя больше нуля – то есть часы потребителя опережают системное время, поэтому измеренные псевдодальности меньше истинных дальностей.
Система координат (СК) — величины, при помощи которых определяется положение объекта. Общий принцип построения СК: выбирается основная координатная плоскость системы и в ней – направление основной оси и расположение начала СК.
В идеальном варианте, когда измерения производятся точно и показания часов спутников и потребителя совпадают для определения положения потребителя в пространстве достаточно произвести измерения до трех навигационных спутников.
В действительности показания часов, которые входят в состав навигационной аппаратуры потребителя, отличаются от показаний часов на борту навигационных спутников. Тогда для решения навигационной задачи к неизвестным ранее параметрам (три координаты потребителя) следует добавить еще один - смещение между часами потребителя и системным временем. Отсюда следует, что в общем случае для решения навигационной задачи потребитель должен «видеть», как минимум, четыре навигационных спутника.
Альманах- совокупность эфемерид всех спутников глобальной навигационной системы. А эфемеридами называют совокупность координат, определяющих положение и скорость спутника в пространстве.
На каждом спутнике имеется эталонный генератор основной частоты f0 = 10,23 МГц, из колебаний которого образуются сигналы, обозначаемые как L1 и L2. Они используются в качестве несущих для передачи кодов и посылки данных, а также для наиболее точных измерений дальностей между спутником и потребителем.
Точностные характеристики навигационных спутниковых систем определяются уровнем основных ошибок измерений и геометрическим расположением используемых спутников и потребителя.
Геометрический фактор представляет собой коэффициент пересчета единичной погрешности измерения радионавигационного параметра в погрешность определения соответствующего параметра. В понятие геометрического фактора можно вкладывать разный смысл. Так, например, если оценивается точность пространственного (трехмерного) местоопределения, то речь идет о геометрическом факторе модуля вектора в пространстве, обозначаемым Гп. При оценке точности двумерного (горизонтального) местоопределения речь идет о геометрическом факторе модуля вектора в горизонтальной плоскости Гг, а при оценке точности только высоты о геометрическом факторе высоты Гв. Для оценки точности временного параметра говорят о геометрическом факторе времени Гт. При оценке точности четырехмерного пространственно временного вектора используют геометрический фактор ГΣ. Часто вместо термина «геометрический фактор» применяется обозначение DOP (Dilution of Precision - уменьшение точности). Это связано с тем, что по определению геометрический фактор означает, во сколько раз происходит уменьшение точности измерений при оценке того или иного параметра.
Для четырехмерного геометрического фактора ГΣ. используется обозначение GDOP (Geometrical DOP - означает учет всех составляющих четырехмерного вектора).
-Геометрическому фактору Гп соответствует PDOP (Position DOP – означает учет составляющих вектора положения в пространстве).
-Геометрическому фактору Гг соответствует HDOP (Horizontal DOP - означает учет составляющих вектора положения в горизонтальной плоскости).
-Геометрическому фактору высоты Гв соответствует VDOP (Vertical DOP).
-Геометрическому фактору времени Гт соответствует TDOP (Time DOP).
В основе дифференциальной навигации лежит относительное постоянство значительной части погрешностей навигации во времени и в пространстве.
Дифференциальный режим навигационной спутниковой системы предполагает наличие как минимум двух навигационных приемников (контрольно-корректирующая станция и потребитель), находящихся в двух точках пространства. При этом дифференциальная контрольно-корректирующая станция (базовая станция) геодезически точно привязана к принятой системе координат. Разности между измеренными и рассчитанными в ней значениями псевдодальностей видимых спутников, а также разности между измеренными и рассчитанными псевдоскоростями по линии передачи данных передаются потребителю. Эти разности называются дифференциальными поправками. Потребитель, в свою очередь, вычитает полученные поправки из измеренных псевдодальностей и псевдоскоростей. Если погрешности определения псевдодальностей слабо изменяются во времени и пространстве, то они существенно компенсируются переданными по линии передачи данных поправками. Основными слабо меняющимися погрешностями определения псевдодальности являются ошибки синхронизации, погрешности за счет ошибок эфемеридного обеспечения, некомпенсированные ионосферные погрешности. При полностью скомпенсированных ионосферных и эфемеридных погрешностях основными источниками ошибок остаются многолучевость, ионосфера, тропосфера и шум приемника.
