Почему спутники группировки GPS находятся на такой высокой орбите?

Основная причина, по которой они находятся на такой высокой орбите, заключается в том, что в любой момент времени можно увидеть большую часть Земли. Чтобы иметь видимую часть Земли, вы должны быть высоко. Теоретически может работать и более низкая высота, но выбранная высота кажется достаточно большой, чтобы быть полезной, но не настолько далекой, чтобы возникали проблемы со связью и т. д.

Стоимость вывода спутника GPS на его орбиту существенно не отличается от стоимости, если бы он находился, скажем, на 6-часовой орбите. Бюджет канала несколько улучшится, что позволит построить немного более дешевый спутник. Однако большая проблема заключается в том, что вам потребуется больше спутников, чтобы обеспечить полное покрытие. GPS принципиально военная система, и требуется, чтобы на местности не было пробелов. Следует отметить, вот процент Земли, видимой с разных высот:

• 12-часовая орбита - 38%
• 8-часовая орбита - 34,3%
• 6-часовая орбита - 31%

Следует отметить, что каждая другая запущенная система GNSS использует ту же орбиту, что и GPS. ГЛОНАСС — 8/17 суток, BeiDou — 9/17, а Галилео — 10/17. Индия работает над системой, использующей исключительно геостационарные спутники. Они выбрали аналогичный диапазон, потому что GPS доказал, что он хорошо работает на этих высотах.

Еще одним фактором является орбитальная скорость. Орбитальная скорость на 6-часовой орбите составляет около 5 км/с. По GPS это 3,8 км/с. Эта более низкая скорость позволяет использовать более узкую полосу пропускания (поскольку доплеровские сдвиги частоты меньше), используя меньший спектр и позволяя использовать больше каналов.

Есть и другие причины, связанные с точностью GPS. Эта конкретная высота хорошо работает для обеспечения достаточной точности.

Суть в том, что высота, на которой находится GPS, работает для него достаточно хорошо, есть несколько других космических аппаратов, использующих такие орбиты, что делает их более стабильными в целом, и кажется хорошей идеей продолжать использовать спутники GPS на 12-часовых орбитах, на которых они размещаются. в.

Спутники GPS / GNSS вращаются на высоте, где их орбитальный период составляет половину средних звездных суток Земли (23 часа, 56 минут, 4,0916 секунды), поэтому скорость их узловой прецессии мала (примерно 4 минуты или ± 222 км с востока на запад ). дрейфует вдоль экватора Земли в день) и довольно постоянным или, лучше сказать, стабильным в течение более длительных периодов времени. Это удерживает их долготу восходящего узла в пределах ±2 градуса от номинальной и обеспечивает повторяемость наземного пути для созвездия:

^{Ежедневный сдвиг во времени наземного трека спутника GPS повторяется относительно 24 часов на основе широковещательных эфемеридных данных. Источник: InsideGNSS.com}

Эта повторяемость наземных траекторий была важна на заре существования GPS, так что было обеспечено достаточное наземное покрытие (в сеансах, а не в течение всего дня) с гораздо меньшим количеством спутников группировки. Нижние орбиты были бы подвержены более сильным орбитальным возмущениям, особенно уже упомянутой прецессии узлов из-за того, что форма Земли представляет собой сплюснутый сфероид , а не идеальную сферу, поэтому скорость дрейфа спутников с востока на запад была бы выше, хотя и не устраняя полностью другие возмущающие воздействия . эффекты (такие как гравитация Солнца и Луны, давление солнечного излучения, ...) или были бы еще выше (атмосферное сопротивление) и вызывали бы более высокую скорость распада орбиты или иным образом требовали бы более частых корректирующих прожиганий орбиты.

Это объясняется более подробно в выпуске журнала Inside GNSS за июнь/июль 2006 г. , в статье Penina Axelrad и Kristine M. Larson « Решения GNSS: орбитальная прецессия, оптимальные двухчастотные методы и приемники Galileo ».

Короткий ответ заключается в обеспечении повторяемости наземных траекторий. И период составляет не 12 часов, а половину звездных суток (то есть примерно на 4 минуты короче), так что, когда Земля сделала один оборот, спутники сделали два, и геометрия всего созвездия относительно Земли такая же, как и у Земли. за один звездный день до этого. Повторяемость важна по многим причинам, одна из которых заключается в том, что некоторые ошибки, связанные с атмосферой или отражениями от земли (т.е. многолучевость), зависят от геометрии. Если геометрия одинакова каждый звездный день, ошибки будут одинаковыми, поэтому смещения, вычисляемые на основе звездных суток и звездных суток, очень точны, потому что, если ошибки настолько похожи, они компенсируются при вычислении перемещений (или скоростей). ).

Теперь другой вопрос, зачем выбирать половину звездных суток вместо трети или четверти. Я не уверен в этом на 100%, но я вполне уверен, что это связано с тем, что, в отличие от других спутников, для того, чтобы спутник GPS был полезен, его положение должно быть известно с очень высокой точностью и в режиме реального времени, поэтому для этого чем больше орбита, тем легче из-за меньшей скорости и меньших возмущений из-за нецентрального гравитационного поля Земли и атмосферного сопротивления. Так почему же не орбиты с периодом в один полный звездный день? Вероятно, из-за стоимости (чтобы вывести их на орбиту и передать с большей мощностью), поэтому половина звездных суток была дешевле, что все еще позволяло соответствовать характеристикам точности спутникового местоположения.

В этой статье хорошо проработана и объясняется, насколько многолучевая повторяемость важна для качества решения и как такая повторяемость может быть использована для улучшения решений GPS. Также поясняется, что период близок к одному звездному дню: Повышение точности высокоскоростных GPS.