Орбитальная группировка этой системы содержит 24 штатных НКА на круговых синхронных орбитах с периодом обращения Т = 12 ч 00 мин (высота орбиты составляет около 20 000 км над поверхностью Земли) в шести орбитальных плоскостях (по четыре НКА в каждой) с наклонением 55°, долготы восходящих узлов которых смещены с интервалом 60°.
Схема формирования сигналов спутника системы GPS содержит два несущих колебания частотой 1575,42 МГц (L1) и 1227,6 МГц (L2), которые модулируются в фазовых модуляторах 3—4 (манипуляции фазы несущего колебания на 180°) псевдослучайными сигналами С/А- и Р-кода, предварительно просуммированными по модулю 2 элементами 1, 2 ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ с навигационным сигналом NAV, который передается со скоростью 50 бит/с. Из рисунка видно, что несущая L2 модулируется только суммарным сигналом Р-кода, тогда как L1 — суммарными сигналами С/А- и Р-кода. В последнем случае кодовые сигналы находятся в квадратуре (сдвинуты на 90°).
В результате фазовой модуляции (манипуляции) ширина полосы сигнала, несущего информацию, увеличивается со 100 Гц (удвоенная частота навигационных посылок 50 Гц) до 20,46 МГц (для кода Р) и до 2,046 МГц (для кода С/А).
Р-код (от Precision — точный) предназначен для высокоточных измерений (в режиме PPS — Precise Positioning Service) и используется преимущественно военным ведомством США (после зведения в 1994 году дополнительной криптозащиты (A/S — Anti-Spoofing) он обозначается как P(Y)). Поскольку этим кодом модулируются обе несущие, то сравнение времени прихода сигналов на частотах L1 и L2 позволяет вычислять дополнительную задержку, возникающую при прохождении сигналов через ионосферу, что значительно повышает точность измерений. Заметим, что некоторые приемники компании Trimble геодезического класса работают с Р-кодом.
Общедоступный код С/А (Coarse Acguition — грубый захват) используется в режиме SPS (Standart Positioning Service — стандартная точность измерений). Если в режиме PPS ошибка измерения горизонтальных координат не превышают 22 м, высоты — 27,7 м и времени — 0,09 мкс, то в SPS-режиме она увеличивается соответственно до 100 м, 140 м и 0,34 мкс.
Схема формирования С/А-кода содержит два 10-разрядных регистра сдвига 1, 2, в цепях обратных связей которых включены логические элементы ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 4, 5 в соответствии с образующими многочленами G1, G2. В исходном состоянии оба регистра устанавливаются в единичное состояние; дополнительное управление регистрами осуществляется блоком 3 кодового контроля изменения эпохи. Как видно из схемы на рисунке, регистр 2 используется также для установки кода номера спутника PRN (Pseudo Random Number) совместно с элементом ИСКЛЮЧАЮЩЕЕ ИЛИ 6, выходной сигнал которого суммируется по модулю 2 (элемент 7) с выходным сигналом первого регистра, формируя таким образом в окончательном виде С/А-код. Как следует из сказанного, этот код содержит и идентификационный номер спутника, чем обеспечивается при одной и той же частоте несущей кодовое опознание каждого спутника.
Сформированные на НКА сообщения передаются со скоростью 50 бит/с по кадрам, каждый из которых содержит 1500 бит информации, т. е. длительность его равна 30 с. Кадр состоит из пяти субкадров. Субкадр № 1 несет сообщение об уходе бортового стандарта частоты, по которому определяется работоспособность спутника; субкадры № 2 и № 3 содержат высокоточные данные о реальных параметрах его орбиты. Они необходимы для захвата кода и поэтому повторяются каждые 30 с. Это время является стандартным для первоначального определения пользователем своего местоположения. Субкадры № 4 и № 5 повторяются по 25 раз, поэтому для передачи полного сообщения требуется 25 кадров, что занимает 12,5 мин.
Приемник GPS содержит антенну 1 (выносную или встроенную), предусилитель-коррелятор 2, тактируемый подстраиваемым генератором 6, смеситель 3 входного сигнала и выходного сигнала формирователя 5 «местного» С/А-кода, демодулятора-декодера 4 и блока обработки информации 10, куда поступают навигационные сигналы (по шине 7), С/А-код (по шине 8) и отметки времени (по шине 9). С выхода 11 блока 10 информация о координатах и времени в формате NMEA-183 поступает на регистратор с последующим отображением на дисплее специализированного прибора (навигатора), переносного или карманного ПК.
Преобразовательная часть приемника содержит фазовые детекторы 2, 3, управляемые подстраиваемым генератором 5. На выходе детектора 2 выделяется синфазная составляющая I входного GPS-сигнала 1, которая представляет собой навигационный сигнал. Эта составляющая через низкочастотный фильтр 4 передается на выход 11 и вход квадратора 9. Квадратурная составляющая GPS-сигнала Q выделяется детектором 3 и после фильтрации в фильтре 6 и возведения в квадрат (квадратор 10) суммируется в сумматоре 12 с квадратом синфазного сигнала. При этом суммарный сигнал (I2 + Q2) используется в качестве оценки степени корреляции «местного» С/А-кода с его значением в GPS-сигнале. Одновременно сигналы I и Q сравниваются детектором 8; формируемый при этом сигнал рассогласования после прохождения через цифровой фильтр 7 используется для автоподстройки тактового генератора 5, выполняющего роль «часов» приемника.
Форматы передачи сообщений между GPS-приемником и регистратором (например, компьютером) регламентируются протоколом NMEA (National Marine Electronics Association) ассоциации морской электронной навигации. Все команды и сообщения в этом протоколе передаются в текстовом ASCII-коде; они начинаются с символов $GP и заканчиваются в конце строки символами CR и LF. В последнем поле сообщения может быть указана контрольная сумма текущего сообщения, расположенного между разделителями $ и *. Приведем содержание сообщений, сопровождающих использование наиболее распространенных форматов передачи данных протокола NMEA-0183:
SGPGGA — данные в стандартном формате GGA о местоположении, времени местоопределения, качестве данных, количестве использованных спутников, HDOP (Horizontal Dilution of Precision — фактор ухудшения точности определения горизонтальных координат), информация о дифференциальных поправках. Сообщение содержит следующие параметры:
- гринвичское время на момент определения местоположения;
- географические широта и долгота местоположения соответственно;
- положение широты (север/юг (N/S)) и долготы (запад/восток (E/W)) соответственно;
- качество GPS-сигнала: 0 —- определение местоположения невозможно или неверно; 1 — режим обычной точности определения местоположения; 2 — дифференциальный режим определения местоположения; 3 — режим прецизионной точности определения местоположения;
- количество используемых спутников (00… 12; может отличаться от числа видимых);
- фактор снижения точности определения широты и долготы (HDOP);
- высота антенны приемника над или ниже уровня моря;
- единица измерения высоты расположения антенны, м;
- геоидальное различие: различие между земным эллипсоидом WGS-84 и уровнем моря (геоидом); » — уровень моря ниже эллипсоида; 12 — единица измерения различия, м; 13 —- возраст дифференциальных данных GPS (время в секундах с момента последнего SC104 обновления; заполнено нулями, если дифференциальный режим не используется); 14 — идентификатор ID (0000… 1023) станции, передающей дифференциальные поправки; 15 — контрольная сумма строки.
Упоминавшийся выше режим невозможности определения местоположения с помощью данного спутника объясняется его неудачным геометрическим положением или его переводом в неработоспособный режим на время тестирования параметров, корректировки орбиты, устранения неисправностей в бортовых системах и т. п. Другой причиной невозможности использования данного спутника может быть также слишком низкий уровень его сигнала, характеризуемый параметром SNR (Signal-to-Noise Ratio — отношение сигнал/шум). Обычный уровень L1 сигнала, передаваемого спутником с углом возвышения 30°, лежит в диапазоне от 12 до 20 дБ. Уровень L1 сигнала более 20 дБ считается очень хорошим. Качество данных является плохим, если уровень L1 сигнала одного из спутников созвездия оказывается менее 6 дБ. Как правило, SNR для L2 сигнала ниже, чем для L1 сигнала и редко превышает 15 дБ.
SGPGLL — данные в формате GLL о географической широте, долготе и времени определения координат. Сообщение содержит следующие параметры:
- географические широта и долгота местоположения соответственно;
- положение широты (север/юг (N/S)) и долготы (запад/восток (E/W)) соответственно; 5 — гринвичское время на момент определения местоположения; 6 — статус данных: А — данные верны, V —данные неверны; 7 — контрольная сумма строки.
$GPGSA — данные в формате GSA (Global Satellites Active — активные спутники) о режимах работы GPS-приемника, параметрах спутников, используемых при решении навигационной задачи, результаты которой отображены в сообщении SGPGGA и значениях факторов точности определения координат. Сообщение содержит следующие параметры:
- режим: М — ручной, принудительно включен 2D (долгота и широта) или 3D (долгота, широта и высота) режим; А — разрешен автоматический выбор 2D/3D;
- режим: 1 — местоположение не определено, 2 — 2D, 3 — 3D;
- номера (PRN) спутников, использованных при решении задачи местоопределения (нули для неиспользованных); 15 — фактор снижения точности определения координат PDOP; 16, 17 — факторы снижения точности определения горизонтальных координат (HDOP) и высоты (VDOP);
- контрольная сумма строки.
В приемниках, в которых возможен выбор режимов определения координат, необходимо учитывать следующее. Для работы в режиме ручного 2D (Manual 2D) необходимо наличие трех спутников. При этом приемник вычисляет широту и долготу на основе известной (определяемой пользователем) высоты, которая остается фиксированной даже во время движения. Если высота не была определена пользователем, то используется последнее вычисленное значение высоты в режиме 3D. Режим Manual 2D обычно используется только в том случае, если можно ввести высоту (над эллипсоидом WGS-84) с ошибкой не более 2-х метров. Если высота задана неправильно, то широта и долгота также будут определены с большой ошибкой. Например, если фиксированная высота имеет ошибку в 10 метров, то ошибка полученных значений горизонтальных координат может достигать 50 метров и более. Кроме того, эта ошибка не может быть исключена применением техники дифференциальной коррекции.
Для работы в режиме ручного 3D (Manual 3D) необходимо наличие четырех и более спутников. В этом случае приемник использует информацию от спутников с наилучшей пространственной конфигурацией. Наблюдения прекращаются, если -количество таких спутников падает ниже допустимого значения.
В режиме авто 2D/3D (Auto 2D/3D) приемник вычисляет пространственные ЗО-координаты, когда это возможно. Если значение PDOP превышает маску PDOP или только три спутника доступны для наблюдений, то приемник переходит в режим определения горизонтальных координат с использованием последнего значения высоты, вычисленное в режиме 3D.
Кроме перечисленных, в некоторых приемниках имеется так называемый переопределенный 3D (3D Overdetermined) режим, при котором используется 5 и более спутников, имеющих допустимые значения PDOP и сигнал-шум.
$GPGSV — данные в формате GSV (Global Satellites in View — спутники в зоне видимости) о количестве видимых спутников, их номерах, возвышении, азимуте и значении отношения сигнал/шум для каждого из них. Сообщение содержит следующие параметры:
- число и номера сообщений (1…9);
- число видимых спутников;
- номер спутника;
- высота (возвышение) в градусах (90°6 — азимут истинный (000…359°);
- отношение сигнал/шум: от 00 (нет сигнала) до 99 дБ;
- параметры по пп. 4—7 для второго спутника;
- то же для третьего спутника;
- то же для четвертого;
- контрольная сумма строки.
SGPRMC — данные в наиболее часто используемом формате RMC (Recommended Minimum specific data) о времени, местоположении спутников, их курсе и скорости с интервалом передачи не более 2 с и обязательной контрольной суммой. Сообщение содержит следующие параметры:
- время фиксации местоположения по шкале Всемирного времени UTC;
- состояние: А — действительное, V — предупреждающее;
- географические широта и долгота местоположения соответственно;
- положение широты (север/юг (N/S)) и долготы (запад/восток (E/W)) соответственно;
- скорость над поверхностью Земли (SOG);
- истинное направление курса в градусах;
- дата: dd/mm/yy;
- магнитное склонение в градусах;
- запад/восток (E/W);
- обязательная контрольная сумма строки.
SGPVTG — данные в формате VTG о текущем направлении курса (COG) и скорости относительно земли (SOG); используются только при работе с оборудованием фирмы Garmin — лидера на рынке классических (не компьютерных) GPS-приемников. Сообщение содержит следующие параметры:
- направление курса и единицы его измерения (Т — в градусах);
- магнитное склонение и единицы его измерения (Т — в градусах);
- скорость над поверхностью (SOG) и единицы ее измерения (N — в узлах);
- скорость над поверхностью (SOG) и единицы ее измерения (К — км/час);
- контрольные суммы строк.
Кроме NMEA-0183, для обмена могут быть использованы двоичный SiRF-код, протокол компании Zodiac (DeLorme), протокол TSIP (Trimble Standard Interface Protocol) компании Trimble Navigation, специализирующейся в области геодезического оборудования, а также протокол компании Garmin, который обеспечивает следующие дополнительные сервисные функции:
- запись и извлечение треков (точек пройденных путей) из памяти приемника;
- запись и извлечение путевых точек и маршрутов из памяти приемника со всеми характеристиками, определяемыми моделью приемника.