Идеи использования космических аппаратов для навигации подвижных объектов в США, как свидетельствует профессор Стэнфордского университета    Б. Паркинсон, в прошлом руководитель программы «Навстар-GPS» от ВВС, начали развиваться после запуска в СССР в 1957 году первого искусственного спутника Земли. В это время Лаборатории прикладной физики (ЛПФ) Университета Джонса Гопкинса была поставлена задача слежения за советским ИСЗ посредством приема его сигнала на наземном пункте  с известными координатами, выделения доплеровского сдвига несущей частоты передатчика ИСЗ и дальнейшего расчета параметров движения спутника. Обратная задача расчета координат приемника на основе обработки принятого сигнала и координат ИСЗ представлялась очевидной и естественной.

На этой основе в интересах навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис в 1964 году была создана доплеровская спутниковая радионавигационная система первого поколения Транзит, отцом которой иногда считают профессора Р. Кершнера, директора ЛПФ. Для коммерческого использования эта система была предоставлена в 1967 г.

Инициатором создания GPS-системы стало Министерство Обороны США. Ее разработка началась в 1973 г., когда Министерство Обороны США перестала устраивать радионавигационная система, состоящая из наземных навигационных систем Loran-C и Omega, и спутниковой системы Transit.

Проект создания спутниковой сети для определения координат в режиме реального времени в любой точке земного шара был назван NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System — навигационная система определения времени и дальности). Используемая сейчас аббревиатура GPS появилась позднее, когда система стала использоваться не только для военных, но и для мирных целей.

В 1973 году, в офисе объединённых программ NAVSTAR GPS, который в то время возглавлял полковник Бредфорд Паркинсон (Bradford Parkinson), разработали архитектуру GPS и предприняли усилия по созданию прототипа системы, чтобы доказать, что концепция глобальной космической навигационной системы будет работать.

22 июня 1977 года состоялся первый запуск спутника-прототипа Block-0. В 1978 году, после запуска первых четырёх экспериментальных спутников Block-I в системе GPS стали предоставляться сигналы и сервисы PNT для военных и гражданских пользователей в ограниченном режиме. К 1985 году были запущены семь спутников Block I.

Новый этап в становлении GPS начался 14 февраля 1989 года, когда на орбиту был выведен первый операционный спутник Block II. Вскоре после этого были запущены Block II и Block IIA.

8 декабря 1993 года командование ВВС США объявило о всемирной доступности услуг IOC. Общее количество спутников Block I и Block II/IIA составило 24.

Спутники обращались вокруг Земли по своим орбитам и предоставляли стандартные сервисы позиционирования (Standard Positioning Service — SPS) для гражданских пользователей и точные сервисы позиционирования (Precise Positioning Service — PPS) для авторизованных пользователей-военных.

Как только тестирование системы было завершено, командование ВВС США, объявило о возможности передачи полноценных сигналов FOC в рамках системы GPS, что произошло 27 апреля 1995 года. Тем самым было декларировано снятие ограничений для разделения военной PPS и гражданской SPS.

Сегодня орбитальная группировка GPS насчитывает 32 КА:

• 3 Block IIA
• 11 Block IIR
• 8 Block IIR-M
• 9 Block IIF

Глобальная спутниковая система GPS второго поколения основана на принципах дальнометрии и предназначена для высокоточного определения трех координат места, составляющих вектора скорости и времени различных подвижных объектов.

Система разработана по заказу и находится под управлением МО (ВВС) США. США предоставляют систему в стандартном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. Определено, что за использование системы гражданскими потребителями ответственность несет Министерство транспорта США.

В соответствии с Интерфейсным контрольным документом GPS (ICD-200C-002, 25.9.97), основными разработчиками и создателями (contractors) системы являются:

• по космическому сегменту- Rockwell International Space System Division (сейчас Boeing) — НКА Блок- I/II/IIA/IIF, Martin Marietta Astro Space Division (сейчас Locheed-Martin) — НКА Блок- IIR;g
• по сегменту управления- IBM, Federal Systems Company;
• по сегменту потребителей- Rockwell International, Collins Avionics & Communication Division.

Документом, устанавливающим взаимоотношения потребителей с системой, является Интерфейсный контрольный документ GPS, за распространение которого несет ответственность корпорация ARINC.

Необходимо заметить, что с самого начала GPS разрабатывалась как система двойного назначения — для военных и гражданских нужд. Установив, что точность определения местоположения не более 100 м вполне приемлема для подавляющего числа гражданских пользователей, военное ведомство США умышленно ухудшило исходную точность системы примерно в 2—2,5 раза. И эта «маленькая хитрость» позволила приступить к массовому производству гражданской навигационной аппаратуры потребителей (НАП).

В 2000 году США признали увеличивающуюся важность GPS для гражданских и коммерческих пользователей, прекратив загрубление открытых сигналов. С этого момента возможности коммерческого и гражданского применения GPS значительно расширились.

В январе 2006 г. правительство США приняло решение об использовании в системе GPS нового сигнала L2C. Этот сигнал имеет более высокую мощность и позволяет GPS-приемникам лучше работать в условиях города и сложного рельефа местности. Новый сигнал передается со спутника Block IIR. Для его приема требуются меньшие энергозатраты со стороны принимающих устройств. Это позволяет повысить качество GPS-навигации с использованием таких устройств, как сотовые телефоны. Проектный срок эксплуатации КА Block IIR составляет 10 лет. Всего был построен 21 КА GPS IIR, из которых 8 были модернизированы до версии GPS IIR-M.

Состав системы

Система в целом включает в себя три функциональные части (в профессиональной литературе эти части называются сегментами) космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов); сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов; аппаратура пользователей системы.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Системы является беззапросными, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции — навигационных определений, — система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.
Сегмент наземного комплекса управления системами выполняет следующие функции: эфемеридное и частотно-временное обеспечение; мониторинг радионавигационного поля; радиотелеметрический мониторинг НКА; командное и программное радиоуправление НКА.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

В навигационном сообщении информационной последовательности GPS содержится информация об эфемеридах НКА, позволяющих рассчитать их координаты и составляющие скорости, альманах созвездия НКА, частотно-временные поправки, метки времени, параметры ионосферной модели, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры НКА и др. Эта информация используется в аппаратуре потребителя при решении навигационно-временной задачи по определению координат, скорости и временной поправки к местной шкале времени.

Сегмент управления состоит из сети наземных станций слежения, расположенных по всему миру. Сеть включает главную (ведущую) станцию (ГС), контрольные станции (КС) или станции слежения (СС) и земные станции ввода данных на НКА (три). Главная станция контроля и управления находится на авиабазе Фалкон (Шривер) ВВС США в районе г. Колорадо-Спрингс, штат Колорадо. В настоящее время КС размещены на атолле Диего-Гарсиа (архипелаг Чагос в Индийском океане), на о. Вознесения (в Атлантическом океане), на Гавайях и атолле Кваджалейн (в Тихом океане); одна КС совмещена с ГС.

Как видно, КС расположены сравнительно равномерно по Земному шару вблизи экватора, что создает благоприятные условия для наблюдений НКА. Эти станции принимают сигналы спутников GPS и осуществляют специальные прецизионные измерения дальности до НКА. Главная станция осуществляет сбор измерений от всех КС. Затем все измерения обрабатываются. По ним осуществляются точные расчеты параметров орбит, ионосферной модели и корректирующих поправок для бортовых часов, которые с главной станции через земные станции связи (атолл Диего-Гарсиа, о. Вознесения, атолл Кваджалейн) совместно с данными обработки метеорологической информации, позволяющей уточнить параметры модели тропосферы, передаются на борт каждого НКА. Производится также мониторинг состояния НКА и управление их работой. Основу ГС составляет центр управления с вычислительным комплексом (координационно-вычислительный центр, КВЦ) и средства передачи данных на земную станцию связи с НКА (станция закладки служебной информации, СЗСИ). Канал «Земля — НКА» использует частоту 2227,5 МГц; канал «НКА — Земля» использует частоту 1783,74 МГц.

Сегмент управления устанавливает шкалу времени GPS, которая привязана к шкале времени UTC (шкала Универсального координированного времени), поддерживаемой Военно-морской обсерваторией США. Начало отсчета времени установлено в полночь с 05.01.1980 на 06.01.1980. Самой крупной единицей времени GPS является одна неделя, которая, как определено, состоит из 604800 с. Время GPS может отличаться от времени UTC, поскольку первое является непрерывным, а второе может корректироваться на целое число секунд. Между ними имеется также некоторое постоянно растущее расхождение. Поэтому ГС контролирует шкалу времени GPS с тем, чтобы она не уходила от UTC больше, чем на одну 1 мкс.

Основные принципы функционирования и навигационных определений в системе GPS аналогичны принципам, описанным применительно к системе ГЛОНАСС. Координаты потребителя в системе получаются посредством их расчета по псевдодальностям (ПД) до НКА. Псевдодальности рассчитываются по временным задержкам прохождения сигналов синхронизированных между собой НКА по трассам «НКА- потребитель». Задержки измеряются в результате сопоставления принятых псевдослучайных кодов и генерируемых в приемнике копий этих кодов с учетом априори известных моментов излучений сигналов НКА. Предварительно производится коррекция ПД за счет компенсации тропосферных и ионосферных погрешностей.

Далее образуется система уравнений, связывающая ПД и координаты (X, Y, Z), и ошибку шкалы времени потребителя T’, проявляющуюся при априорном определении момента излучения сигнала НКА. Неизвестными параметрами при этом будут координаты НКА, определенные в системе WGS-84, по эфемеридным данным. Учитывая, что неизвестных оказывается 4, необходимо иметь не менее 4-х определений ПД относительно 4-х НКА. Обычно в поле видимости потребителя оказывается от 5 до 8 НКА. В первых образцах аппаратуры потребителя решалась задача выбора наилучшего по некоторому критерию созвездия из 4-х НКА.

В современной аппаратуре обычно решается переопределенная система уравнений (больше 4-х) и используется итеративный метод наименьших квадратов, когда ищется решение, которое позволяет наилучшим образом приблизиться ко всем полученным в результате измерений псевдодальностям.

Составляющие скорости потребителя определяется по измерениям приращений фаз несущей частоты сигналов НКА, вызываемых движением определяющегося объекта и НКА.

Определенные таким образом геоцентрические (в системе WGS-84) координаты и составляющие скоростей могут преобразовываться в аналогичные параметры в других системах координат.

Сегмент потребителей включает приемники (навигационную аппаратуру потребителей, НАП) GPS и сообщество самих пользователей. НАП принимает сигналы GPS, обрабатывает их, измеряет радионавигационные параметры, определяет псевдодальности и приращения псевдодальностей или псевдоскорости и вычисляет на их основе координаты и составляющие скорости в ГСК и поправку к местной шкале времени T’GPS относительно системного времени GPS и ее уход. Затем вычисляются геодезические координаты и высота над опорным эллипсоидом в системе координат WGS-84 (B, L, H) и составляющие вектора скорости (VN, VE, VH). Возможно также определение координат в какой-либо иной системе (Меркатора, Гаусса — Крюгера и т.д.).

НАП производится для навигации подвижных объектов (самолетов, вертолетов, морских   и речных судов, автотранспорта), для определения координат при геодезических и землеустроительных работах, для синхронизации систем связи и т.д. Начато производство и продажа персональной АП, объединенной с сотовым телефоном. Облик АП существенно зависит от назначения. Ее стоимость находится в диапазоне от ста до нескольких десятков тысяч долларов США.

Развитие ОГ GPS

Существует четыре поколения GPS спутников: Block I, Block II/IIA, Block IIR, Block IIF. Спутники типа Block I использовались для проверки принципов работы системы GPS,  и накопленный опыт работы 11 спутников в дальнейшем использовался при создании спутников следующего поколения.

Спутники Block II и IIA в настоящее время составляют основу системы. В сумме 28 спутников было произведено по контракту, из них четыре последних заменили запущенные ранее спутники, выработавшие свой ресурс.

Спутники BLOCK II (порядковые номера №№ 13-21) являются первым конструктивным типом спутников NAVSTAR GPS, разработанных компанией Rockwell International. Спутники этого класса могут работать до 14 дней без взаимодействия с главной управляющей станции GPS. Девять спутников BLOCK II были запущены в период с февраля 1989 по октябрь  1990 г.

• Вес (на орбите): 985 кг;
• Высота орбиты: 20350 км;
• Источник энергии: солнечные панели с мощностью 700 Вт;
• Ракета носитель: Delta II;
• Габариты: 1.5 м ширина, 5.3 м длинна (включая солнечные батареи);
• Запланированное время работы: 7.5 лет.

Спутники BLOCK IIA (порядковые номера №№ 22-40) являются спутниками второго поколения разработанной компанией Rockwell International. Они способны работать 180 дней без контактов с главной управляющей станцией. В течение этого времени периоды деградирования точности могут быть легко обнаружены навигационном сообщением, передаваемым с каждого спутника.

Запуск спутников этой группы был осуществлен с мыса Канаверел с ноября 1990 по ноябрь 1997 г. Плановый период эксплуатации для спутников группы BLOCK II/IIА составляет 7.3 года. На каждом спутнике размещены 4 атомных часов: 2 цезиевых и 2 рубидиевых.

• Вес (на орбите): 1072 кг;
• Высота орбиты: 20350 км;
• Источник энергии: солнечные панели с мощностью 1136 Вт;
• Ракета носитель: Delta II;
• Габариты: 1.5 м ширина, 1.93 м в диаметре, 1.9 м высота (11.6 м ширина включая солнечные батареи);
• Запланированное время работы: 10 лет.

Спутники BLOCK IIR (порядковые номера №№ 41-62) являются следующим поколением спутников разработанной компанией Lockheed Martin. Спутники этой серии объединены в сеть для обмена навигационными данными между собой. Такая технология позволяет определять и обновлять ряд параметров их движения без связи с главной управляющей станцией. Плановый период эксплуатации для спутников такого класса составляет 7.8 лет. На каждом спутнике размещены 3 рубидиевых часов. Запуск спутников класса IIR осуществляется с января 1997 года.

• Вес (на орбите): 1702 кг (включая 89 кг для отсека полезной нагрузки);
• Высота орбиты: 20350 км;
• Источник энергии: солнечные панели с мощностью 2900 Вт (BOL) & 2440 Вт (EOL);
• Ракета носитель: EELV (Delta IV и Atlas V);
• Габариты: 2.4 м x 1.97 м (в свёрнутом состоянии) 21.5 м (с 4 солнечными батареями в развёрнутом состоянии) x 3.7 м;
• Запланированное время работы: 15 лет.

КА Block IIR-М (модернизированный) включает модернизированную антенную панель обеспечивающую повышенную мощность сигнала, 2 новых военных сигнала повышенной точности (до 1 метра), усиленных шифрованием и защитой от помех, а также второй гражданский сигнал (L2C), который предоставит пользователям доступ к открытому сигналу на дополнительной частоте. Дополнительные сигналы могут значительно улучшить систему, так как они позволят приёмникам обнаруживать ошибки создаваемые ионосферой Земли и, используя передовые алгоритмы, улучшить точность позиционирования.
Первый спутник Block IIR-М был запущен в сентябре 2005 г. В настоящее время ОГ GPS включает 11 аппаратов Block IIR-М, 8 аппаратов Block IIR и еще 9 аппаратов нового поколения Block IIF.

Новый КА Block IIF включает обновления архитектуры, энергетики, процессора, уменьшения веса, наличия третьего гражданского сигнала (L5) в спектре авиационной безопасности, который, как ожидается, обеспечит более широкое использование GPS для управления воздушным движением в гражданской авиации, а также новый военный сигнал.
Кроме того, в составе системы до сих пор функционируют КА Block IIА, демонстрирующие просто невероятную «живучесть» благодаря удачной конструкции. Самый старый из этих аппаратов был выведен на орбиту в 1992 г., т.е. на сегодня срок его бесперебойной эксплуатации составляет уже более 20 лет (проектный срок эксплуатации 7,5 лет). К сожалению, реальный срок эксплуатации КА «Глонасс» намного ниже (в среднем, около 5 лет), что делает нашу систему более дорогостоящей в эксплуатации и менее надежной. Всего с тех пор, как первый GPS спутник был выведен на орбиту в феврале 1978 г., было запущено более 60 спутников, начиная с GPS-I.

Согласно информации Office of Space and Advanced Technology Государственного департамента США, планируется пополнение ОГ GPS 12 модернизированными КА типа Block IIF.

Эти аппараты имеют плановый срок службы 12 лет, оснащены тремя высокоточными атомными часами (2 рубидиевых и 1 цезиевые), имеют повышенную мощность навигационного сигнала. Кроме того, по сравнению с предыдущей модификацией КА (Block IIR-M), в модификацию Block IIF добавлен новый гражданский сигнал на частоте L5, предназначенный для повышения безопасности воздушного, водного и наземного транспорта. Контракт на производство 12 модернизированных аппаратов Block IIF получила корпорация Boeing.

Представители корпорации Boeing, разработавшей GPS IIF, сообщили, что в качестве источника энергии в новом спутнике используется солнечный свет. Стоимость аппарата — 121,3 млн. долл. США.

Точность сигнала GPS IIF в два раза выше, чем у более ранних навигационных спутников. Кроме того, аппарат имеет переменную мощность, что позволяет повысить защищенность от помех в условиях подавления сигнала при боевых действиях.

Запуски GPS IIF на сегодня осуществляются в штатном порядке. Восьмой спутник был запущен 29 октября 2014 г. и введен в состав ОГ 12 декабря 2014 г. Девятый КА GPS IIF был выведен на орбиту 25 марта 2015 г. и введен в штатную эксплуатацию 20 апреля 2015 г.

Производство модернизированных спутников серии GPS IIF к настоящему времени завершено, все 12 КА поставлены заказчику — ВВС США.

Отметим, что производство модернизированных КА для системы GPS осуществляют 2 компании: корпорация Boeing, которая уже произвела в общей сложности более 50 спутников системы GPS конфигураций Block I, II, IIA и IIF, и компания Lockheed Matrin, которая производит спутники Block IIR и будет производить новейшие спутники GPS Block III.

При своем полном развертывании, спутники GPS- Block III смогут обеспечивать передачу новых гражданских сигналов L1C и L2C, а также будут обладать новой совмещенной архитектурой управления и контроля. Это позволит всего лишь одной наземной станции контролировать всю группировку спутников GPS, а, благодаря новой антенне, обеспечить высокую помехозащищенность при одновременном повышении точности и целостности системы.

GPS III является важной программой ВВС США, которая позволит заменить стареющие орбитальные спутники GPS, при этом возможности спутниковой системы станут шире и смогут отвечать растущим требованиям военных, коммерческих и гражданских пользователей.

Развитие наземной системы управления GPS (Operation Control System или OCS)

Система включает главную станцию управления (Master Control Station) на военной базе ВВС в Колорадо Спрингс, штат Колорадо, которая генерирует и отсылает навигационные команды на спутники, обеспечивая точность размещения группировки, и 16 станций мониторинга (NGA Monitor Stations) по всему миру.

Крупнейшие станции расположены на острове Кваджалейн в Тихом океане, острове Вознесения в Атлантическом океане, острове Диего-Гарсия в Индийском океане и мысе Канаверал на побережье штата Флорида.

С целью дальнейшего увеличения точности GPS в 2005 г. в сеть НКУ добавлено шесть станций Национального агентства геопространственной разведки США (NGA). Они установлены в Англии, США, Эквадоре, Аргентине, Бахрейне и Австралии. Их более широкая сеть позволяет с большей точностью определять орбиты спутников и готовить точные эфемеридные данные.

Теперь каждый спутник будет виден, по крайней мере, с двух станций сегмента НКУ. Планируется добавить еще пять станций NGA, после чего каждый спутник будет наблюдаться уже с трех наземных пунктов.

Станции разбросаны по всему миру. Несмотря на это, они должны иметь единое координатно-временное обеспечение в единой земной системе отсчета. Для этого усилиями мировой общественности созданы и надежно закреплены на местности высокоточные геодезические сети (например, сеть IGS).

Разработкой новой системы наземного управления занимается компания Raytheon, которая в феврале 2010 г. выиграла контракт на сумму $888,4 млн.

Модернизация OCS включает частичное обновление существующего наземного оборудования и разработку нового программного обеспечения (ПО). Данный проект реализуется блоками.

Первый блок ПО (Block 0), предназначенный для улучшения управления присутствующими на орбите спутниками второго поколения GPS II и новыми спутниками третьего поколения GPS III, должен быть закончен и протестирован до 2014 г. Однако, в настоящее этот блок завершен лишь наполовину, что срывает сроки запуска первого спутника GPS Block III-А, строительством которых занимается оборонное предприятие Lockheed Martin. Всего в производстве в настоящее время находятся 4 аппарата.

Второй блок ПО (Block 1) будет предназначен для запуска и управления спутниками GPS Block III-В, с новыми сигналами L2C и L5. Его разработку планируется завершить к октябрю 2016 г., что на 17 месяцев позже запланированного изначально срока запуска первого спутника GPS III.

Третий блок ПО (Block 2) по замыслу разработчиков должен быть предназначен для запуска новейших спутников GPS Block III-С, с сигналами L1C и M-Code. По данным Национального координационного офиса космических систем позиционирования, навигации и времени (National Coordination Office for Space-based Positioning, Navigation and Timing) Правительства США, его разработку ориентировочно планируется завершить в 2017 г.

Спутниковая система GPS III должна повысить точность позиционирования, навигации и работы сервисов синхронизации времени, а также предоставить более высокий уровень безопасности, сообщается на сайте разработчика спутников нового поколения Lockheed Martin.