Глобалните навигационни спътникови системи за определяне на местоположение и тяхното използване за планиране на терени в селското стопанство

Глобалните навигационни спътникови системи активно се интегрират в много сфери в живота на човека и неговата стопанска дейност. Един от актуалните проблеми е изборът и оптималното използване на различни програмно-апаратни измерителни средства, предназначени за събиране и обработка на геопространствена информация с методите на геодезията.

Съвременните технологии предлагат широк спектър от методи за измерване (традиционните оптико-електронни технологии, лазерни наземни измервания, фотограметрия и т.н.), но най-интересни и ефективни за задачите, свързани със събирането и използването на геоданни са спътниковите GNSS технологии и създадените на тази база GNSS приемници.

Употребата на GNSS услуги става възможна благодарение на въвеждането в експлоатация на спътникови съзвездия, предоставени за използване за граждански цели от Съединените американски щати и Руската федерация - системите за глобално позициониране NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС, както и на аналогичните им Galileo (ЕС) и Compass (КНР). Работата с данни от тези системи дава възможност на специалистите да използват нови, по-производителни възможности при изпълнение на различни дейности, свързани с топографията, кадастъра, строителството и много други сфери от обществения живот и икономиката на страната. Достиженията на спътниковата навигация, разработването и използването на прецизни GNSS/GPS приемници, позволява на фирмите-производители да разработват нови технологии за работа в различни функционални режими, улесняващи специалистите дотолкова, че вече не е необходимо специално образование, за да може операторът да използва наличното му оборудване в процеса на работата си.

Принципът на действие на GNSS системите се характеризира с излъчване от спътниците на специални електромагнитни сигнали. Апаратурата на потребителя приема тези сигнали и след специална обработка отчита данните за местоположението на обекта и системното време, което се приравнява към международните временни скали. Спътниковата навигационна система може да се разглежда като високотехнологична информационна система.

Спътниковите системи могат да се използват по всяко време на денонощието, целогодишно, за високоточно пасивно определяне на разстояние и време според заложения в системата принцип на пространствена линейна засечка, наречен трилатерация, при който е необходима връзка на наземното устройство с минимум 4 спътника, при което се определя точното местоположение на приемника чрез навигационни методи и способи на изчисление и ориентиране на координатното местоположение на приемника на спътниковите сигнали. Спътниците, от които се получава сигнала се разглеждат като опорни точки, координатите на които се изменят във времето вследствие от движението на спътниците по орбита, но могат да бъдат изчислени във всеки един момент от време, благодарение на заложената в навигационния сигнал на спътниците информация. Чрез спътниковата радионавигация могат да се решат следните задачи:

• определяне на местоположение на обекти в пространството, като: космически, въздушен, наземен и воден транспорт и управление на движението на транспортните средства;

• картографска и океанографска работа, геоложки проучвания и добив на полезни изкопаеми; създаване на опорни станции и геодезически мрежи за целите на кадастъра и земеустройството и т.н.;

• в сферата на висшата геодезия и геодинамика: определяне на формата и размерите на Земята, деформациите по нейната повърхност, тектоничните движения на континенталните плочи и т.н.;

• специални задачи като издирване и спасяване на бедстващи хора, научно-изследователски проекти и др.;

• мониторинг на деформациите на инженерни съоръжения и естествени обекти с цел превенция на населението и предотвратяване на техногенни катастрофи;

• въздушна навигация – полет по маршрут с проследяване и визуализация на курса на движение, определяне на разстоянието до крайната точка на дестинацията и др.;

• навигация на морски и речни плавателни съдове, осигуряване на безопасно движение в тесни проливи и близки плитчини;

• определяне релефа на морското дъно и обследване на фарватерите на граничните речни дъна и т.н.;

• навигация в наземни условия и контролиране на товарни превози от движещи се обекти, снабдени с GPS приемник и избор на оптимален маршрут и др.;

• повишаване безопасността при движение на железопътния транспорт;

• приложение при строителството на съоръжения и организацията на земеползването в селското стопанство, оптимизация на използването на селскостопанска техника при обработката на посевните площи и др.

Основните елементи на спътниковата навигационна система са:

• орбитална групировка, състояща се от няколко - от 2 до над 30 – спътника, излъчващи специални радиосигнали;

• наземна система за управление и контрол, чрез която се следи текущото положение на спътниците и предаването към тях на обработки на получената спътникова информация за коригиране на орбитите им, като за предаването на такава информация се осъществяват и връзки спътник-спътник от космическите апарати в една групировка;

• приемници за граждански и военни цели (клиентско оборудване, спътникови навигатори), използвани за определянето на координати, както и радиосистема за предаване към потребителските устройства на диференциални поправки, позволяващи значително да се увеличи точността при определянето на координатите.

Налага се изводът, че високотехнологичната спътникова радионавигационна система се състои от пет основни сегмента, които са:

• космически сегмент;

• сегмент (спътниково оборудване) за космически функционални допълнения;

• наземен сегмент;

• наземен сегмент за функционални допълнения;

• потребителски сегмент.

Космическият сегмент е система от навигационни спътници, обикалящи по орбита около Земята. На всяка орбита се намират по няколко спътника. Навигационният спътник има на борда си радиоелектронна апаратура, излъчваща към Земята непрекъснати специални радиосигнали. Благодарение на достатъчното количество навигационни спътници и специализираните параметри на радиосигналите апаратурата на потребителя може да приема излъчените от спътниците сигнали.

Потребителският сегмент се състои от спътникови навигационни приемници, които приемат сигнала от навигационните спътници и извършват пресмятане и определяне на текущото местоположение, скорост и време с грешка, определена от принципите на работа в системата за спътникова навигация и апаратурата на потребителя.

Наземният управляващ сегмент е съставен от център за управление на космическата групировка изкуствени спътници на Земята, радиолокационни и оптически станции за проследяването им, апаратура за контрол на състоянието на спътниците. Чрез тях се решават задачи за определяне, уточняване и прогнозиране на параметрите на движение на навигационните спътници, формирането и предаването към спътниковата апаратура на цифрова информация, както и множество контролни и профилактични функции. Сегментите за наземни и космически функционални допълнения по своята същност представляват апаратурно-програмни комплекси за осигуряване на точността на навигационните данни, целостта, непрекъснатостта, достъпността и експлоатационната способност на системите от потребителите им.

Създадената и функционираща от 1994 година Международна GPS служба (International GPS Service), вече Международна GNSS служба, е доброволно обединение на над 200 организации от повече от 80 страни. В рамките на Международната служба е изградена мрежа от няколкостотин перманентни GNSS/GPS станции, разположени по цялото земно кълбо. Станциите изпращат данните от непрекъснатите наблюдения в Центрове за анализ на IGS, които изчисляват прецизни ефемериди и корекции на часовниците на спътниците, както и други параметри, например йоносферни модели. Тези резултати се използват за поддържане на Международната земна координатна система ITRS.

От гледна точка на широката потребителска употреба за инвентаризацията на земеделски земи GNSS играят изключително важна роля при поддържането на електронните кадастрални карти, географските информационни системи и специализирани приложения за работа с данни и осигуряват висока точност при получаването на параметрите на обектите.

Идеята за създаване на радионавигационна система се заражда още в годините на Втората световна война за нуждите на Военно-въздушните сили. Така се появяват системите HIRAN и DEKKA. Първото поколение космически позиционирани глобални навигационни спътникови системи NNSS „Transit“ е въведено в експлоатация от САЩ през 1964 година, като задачата й е осигуряването на успешното изстрелване на балистични ракети тип „Поларис“ от подводници. Създател на тази система е професор Р. Кершнер. За гражданско използване е достъпна от 1967 година с редица ограничения и условности по отношение на кодовите честоти, които отпадат през 2000 година. През 1979 година СССР въвежда в експлоатация своята система „ЦИКАДА“.

Спътниковите радионавигационни системи от първо поколение са разположени на ниска орбита, като за извършнане на необходимите измервания се използва сигнала на видимия към даден момент спътник. В спътниковите групировки „Transit” и „ЦИКАДА“ са включени по 7 спътника, разположени на кръгови орбити на височина около 1100 км [1].

Спътниковите навигационни системи от първо поколение имат множество недостатъци, като например, недостатъчна точност при определянето на координатите на мобилни обекти с отклонение повече от 100 метра от действителното местоположение, ограничен времеви интервал и съществуващо прекъсване на връзката със спътниците поради липса на видимост и т.н.

Създаването на съвременните Глобални навигационни спътникови системи (GNSS) от второ поколение започва през 80-те и 90-те години на ХХ век, като американската средноорбитална GPS или NAVSTAR (Система за Глобално Позициониране или Навигационна Система за определяне на Времето и Разстоянието) е приета в експлоатация през 1995 година.

Разработката на руската средноорбитална спътникова система ГЛОНАСС (Глобална Навигационна Спътникова Система) започва в средата на 70-години на ХХ век, а разгръщането на космическата групировка започва през 1982 година. Приета в експлоатация през 1993 и открита за граждански цели през 1995, системата непрекъснато се доразвива и усъвършенства, като едва през 2012 година проектният състав от космически апарати е изведен в орбита. Тя е единствената, която предлага почти пълно покритие с качествен сигнал на полярните области на планетата.

Системите са високоточни, тъй като работят в диапазона на свръхвисоките честоти и едновременно с това от която и да е точка на земната повърхност над хоризонта винаги могат да се засекат по няколко спътника от системите за позициониране. Съзвездията от спътници на двете навигационни системи са разположени на кръгови геоцентрични орбити на височина около 19 100 км и 20 200 км над повърхността на Земята [3].

Навигационната спътникова система GPS е сложна и скъпоструваща и е стратегически вид въоръжение, тъй като се използва за насочване на стратегическо въоръжение, ориентиране в местност, провеждане на разузнавателни операции и др., като в резултат се получава стратегическо и тактическо предимство пред противника, ако той няма своя собствена спътникова система, аналогична на американската GPS (Global Positioning System). Основите на системата могат да бъдат описани с няколко взаимно свързани функционални характеристики, като:

• спътникова трилатерация;

• измерване на разстоянията до спътниците;

• точни времеви измервания и координация между часовниците на спътниците и приемниците на потребителя;

• разположението на спътниците и определяне на точната им позиция в космоса;

• корекция на грешките, като се вземат в предвид закъсненията на сигнала в тропосферата и йоносферата.

В основата на системата GPS са 24 спътника разположени в шест геоцентрични орбитални равнини с по 4 космически апарата, с ъгъл на наклон на орбитата спрямо екватора от 55°. Всеки спътник има на борда 4 атомни часовника и извършва една пълна обиколка на своята орбита около 12 часа (половин звезден ден). GPS спътниците са конфигурирани така, че да може ползвателят да определи положението по всяко време, използвайки пространствена засечка с разстоянията, измерени до спътниците.

Контрол и управление на орбиталната групировка се осъществява от главната управляваща станция (Обединен център за космически изследвания - CSOC), която е разположена в американската военно-въздушна база Фалконе, Колорадо Спрингс в щата Колорадо. От нея се ръководи системата за навигация GPS. Центърът събира и обработва данните от станциите за наблюдение на спътниковата система. В центъра се изчисляват и определят ефемеридите на спътниците (набор от данни за орбитата на спътника и положението на спътника на орбитата), следи се работата на бордовите часовници, след което тези данни се предават на някоя от взаимно свързаните наземни станции за изпращане на информация към спътниците. Тази информация от станциите се зарежда на спътниковите бордови компютри приблизително на всеки час. Съществуват пет основни станции за проследяване активността на спътниковата система. Те са разположени на Хаваите, в Колорадо Спрингс, САЩ, на остров Асунсьон в южната част на Атлантическия океан, на остров Диего Гарсия в Индийския океан и на остров Кваджалейн в южната част на Тихия океан. Всяка от тези станции е оборудвана с еталонни цезиеви часовници и Р-кодов приемник. Непрекъснато се измерва псевдоразстоянието до всички намиращи се над хоризонта спътници. В данните за определяне на псевдоразстоянието се въвеждат поправки заради забавянето на сигнала в йоносферата (слой от заредени частици на височина 100-300 км) и тропосферата на Земята, след което данните се предават на главния контролен център.Точната ефемеридна информация и определянето на параметрите на бордовите часовници са особено важни за потребителите на GPS системата, тъй като клиентските приемници обработват точно такава получена информация за определяне на координати.

Спътниците имат различни системи за идентификация: пореден номер на изстрелването, присвоен псевдослучаен шумов код (PRN), номер на положението му в орбитата, NASA каталожен номер и международно означение. Съществуват следните категории спътници: Блок I, Блок II, Блок II А, Блок II R, Блок II F.

Спътниците от Блок I са изстреляни в периода 1978-1985 година от военновъздушната база “Ванденберг” в Калифорния с ракета Atlas F. Броят им е 5 и са разположени на орбити с наклон 63°.

Спътници Блок II - първият спътник от този блок е изстрелян на 14.02.1989 г. от космическият център “Кенеди”, Кейп Канаверал, с ракета Delta II. През юни 1989 г. са изведени в орбита два спътника със совалка. Продължителността на мисията на спътниците от този блок е 7,5 години. Спътниците имат на борда си 2 рубидиеви и 2 цезиеви часовника.

Спътници Блок II А за разлика от Блок II имат отражатели, с които могат да се извършват лазерни измервания. Изстрелването им започва след 26.11.1990 г.

Спътници Блок II R заменят Блок II. Те са с гарантиран 10 годишен живот и тегло 2000 кг. Извеждането им в орбита започва през юли 1997 г. Атомните часовници са заменени с водородни.

Спътници Блок II F са изстрелвани след 2007 година с продължителност на живот до 15 години и тегло над 2000 кг. Тези спътници имат някои подобрения, като инерциална навигационна система, както и разширена структура на сигнала. Спътниците се извеждат в орбита с помощта на совалка [1].

Потребителският сегмент включва необходимата за работа спътникови приемници и програмен софтуер за работа с данните и друга апаратура. Навигационните приемници определят координатите на транспортните средства, скоростта и посоката на движението им. Геодезическият клас приемници също могат да изпълняват функции на навигационни приемници, въпреки, че тяхното предназначение е различно. Потребителите на системата са граждански или военни лица, имащи пълен или ограничен достъп. Пълен достъп имат само военнослужещите, оторизирани да използват системата, а до края на ХХ век за гражданските потребители са предоставяни данни с преднамерено променени параметри на спътниковите орбити и бордовото време. От месец май на 2000 година тази система за сигурност е изключена.

В зависимост от сферата на приложение и необходимата нормативна точност се избира методиката на провеждане на дейности с използването на спътникова апаратура и режим на работа на приемника за достигането на милиметрова, сантиметрова или дециметрова точност. Точността зависи от техническите характеристики на приемниците.

Основната задача е точното измерване на времето и временните интервали за преминаване на радиосигнала от космическия апарат до приемника умножен по скоростта на светлината, като за предаване на данните GPS-спътниците излъчват сигнал на три носещи честоти: L1 (1575,42 MHz), L2 (1227,60 MHz) и L5 (1176,45 MHz), които са кратни на стандартната честота (10,23 MHz) на атомните часовници на борда. Целта на използването на L1 и L2 е елиминирането на грешката, получена от закъснението на сигнала при преминаванато му през йоносферата [44].

Сигнал L1 носи два кода с псевдослучаен шум (PRN): Р-код и С/А код. Р-кодът е с точност, каквато позволяват максималните възможности на системата и може да бъде зашифрован за военни цели. С/А кодът не е шифрован.

Сигналът L2 се модулира с Р-код. Повечето уреди за гражданска употреба използват само С/А код при работа с GPS системата. Новите геодезически приемници работят и с Р-код. Навигационните спътници с участието на наземните комплекси за управление и контрол формират радионавигационно съобщение, като сигналите, които го съдържат се предават непрекъснато към потребителите и носят фазова и кодова информация във вид на С/А и Р-кодове.

Радионавигационното съобщение съдържа оперативна цифрова информация: признаци за достоверност на данните, ефемеридите на спътниците, поправките към тях, честотно-временни поправки за бордовите скали, времето за което се отнасят ефемеридните данни и поправки, спътноковия алманах, йоносферните поправки и др. [53].

Съвкупността от всички сигнали, излъчвани от системите на изкуствените спътници на Земята, образуват в околоземното пространство радионавигационното поле, в което работи приемащата сигналите радионавигационна апаратура на потребителите.

Глобалните навигационни спътникови системи непрекъснато се развиват и усъвършенстват. При NAVSTAR GPS се осъвършенства кодовата информация, добавен е С/А код на носещата честота L2, въведен е трети граждански сигнал на L5, модернизира се орбиталната групировка, повишава се точността на поправките на данните от службите за наблюдение и контрол. Всички колебания и сигнали излъчвани от спътниците на честоти L1 и L2 получават определените си стойности след преобразуване и умножение с определен коефицент за L1 – 154 за L2 – 120. Измерванията на двете носещи честоти се използват за реализиране на дисперсионен способ за отчитане на влиянието на йоносвферата и за улесняване на процеса на определяне на многозначността при фазови измервания [10].

Навигационното спътниково съобщение се предава за 30 секунди, като за това кратко време не се предава цялата информация. Спътниковото съобщение е съвкупност от няколко части и като цяло съдържа пет обособени кадри. Всеки кадър се излъчва в продължение на 6 секунди и съдържа 10 думи. Всеки кадър започва с TLM (telemetry word) и съдържа съобщение за статуса на спътника и системата като цяло. След това следва ключовата дума HOW (hand-over word). Смисълът на тази част е времевата засечка и точността [53].

Първият кадър съдържа параметрите на часовниците на борда на спътниците (всеки спътник предава такива съобщения) и коефиценти за модела на йоносферата. Параметрите на часовниците – това са работата на часовниците и евентуалните разлики по отношение на GPST. Информацията за модела на йоносферата се използва само при работа с едночестотни приемници. Ако в процеса на работа се използва двучестотен приемник грешката се анализира и елиминира по програмен път от приемника.

Вторият и третият кадър съдържат ефемеридите на спътника, излъчващ даденото съобщение, като те се получават и преизчисляват от станциите за наземен контрол и наблюдение. Поради необходимостта за обработка на данните в наземния сегмент на системата и зареждането им в бордовия компютър се изисква време. Заредените в бордовите компютри данни бързо остаряват, поради което те се обновяват често, на всеки час.

Четвъртият кадър носи служебна информация, като приемниците на граждански потребители нямат възможност да я използват, a петият кадър съдържа алманаха на спътниците и информация за състоянието на системата.

Алманахът съдържа набор от справочни сведения за скалите на времето, ефемеридите на всеки спътник и данните за състоянието на всеки спътник и възможността за използването му. В процеса на измерването алманахът се записва в приемника автоматично, ако за времето на работата му блокът с информацията на алманаха е излъчен. Предназначението на алманаха е да осигурява на потребителя данни, за да се улесни търсенето на спътници от приемника или за използване при планиране на геодезически измервания, като например, съставянето на график за видимостта на спътниците.

Обработката на алманаха дава сведение за количеството видими спътници на проектната дата, тяхната височина над хоризонта, азимут, коефициентите на геометричното влияние DOP и съставляващата го PDOP, които са основни при измерванията на земеделски земи и площи. Всеки спътник предава информация за спътниковото съзвездие.

Спътниковите ефемериди са набор от данни за орбитата на спътника и положението на спътника на орбитата. GPS потребителите работят с геоцентричните координати на спътника в система WGS-84 в момента на излъчването на сигнала от спътниците. Потребителската апаратура изчислява координатите на спътниците, като използва данните, които се съдържат в навигационното съобщение за спътниковите ефемериди. Ефемеридната информация е отнесена към изходния момент To, като този момент е посочен в ефемеридния файл. В съобщението се посочват и Age of Data (AODE) – възрастта на ефемеридните данни т.е. интервалът от време, изминал от момента на последното зареждане на данни в паметта на бордовия компютър [53].

Координатите на спътниците, получени по данните на кадрите с ефемеридите могат да съдържат грешка до 100 метра, като причините за такова отклонение в точността са следните: данните от ефемеридните кадри на спътниковите съобщения за спътниковите орбити по същество са прогнозни т.е. това са екстраполирани ефемериди. Освен това при тяхното изчисляване се отчита само един от факторите, който има отношение към орбитите на спътниците и това е земното притегляне, като първичното неотчитане на други фактори оказва влияние върху изчисленията на спътниковите орбити и поради това изчислението на орбиталните координати на спътниците е по формули, като се вземат в предвид всички действителни аномалии при движението на спътниците, радиусът на орбитите и др. Разположението на спътниците и корекцията на грешките е от особено голямо значение за нормалната работа на GNSS системата на повърхността на Земята.

1.4. Определяне на координатите на потребителя

Точните координати на някаква точка могат да бъдат изчислени с измерване на разстоянието от група спътници, ако тяхното разположение в космоса е известно. В този случай спътниците се възприемат като точки с известни координати. Всяко разстояние определя една сфера, чийто център е спътникът. Затова при този метод са необходими разстоянията само до три спътника и сечението на трите сфери дава стойностите на трите неизвестни (например дължина, ширина и височина), които се определят по уравнения за разстояния. Едното измерване отчита положението на приемника на повърхността на сферата. Когато е известно разстоянието до втори спътник, определяното местоположение ще бъде разположено някъде в кръга на пресичане на двете сфери. Това измерване отчита местоположението спрямо точките на пресичане на двете сфери. С помощта на трети спътник се определят две точки върху образувалата се окръжност, като е необходимо за отчитане на действителното местоположение да се определи правилната точка, като една от тези точки има недействително, прекалено далечно разположение на или под повърхността на Земята. По този начин, като се знаят разстоянията до три спътника може да се изчислят координатите на определена точка.

GPS приемниците използват малко по-различен метод, поради което разстоянието до спътника се различава от „действителното” разстояние. Тези разстояния се наричат псевдоразстояния, тъй като те са истинското разстояние плюс корекция на разстоянието, получена от грешката на часовника на приемника или систематичната грешка. Приемниците са снабдени с различни средства, които автоматично определят действителното положение от възможните две точки. За да може потребителският приемник да отчете и височината на точката, той трябва да получава сигнал от не по-малко от четири спътника.Четирите измервания позволяват да се изчислят четири параметъра – три координати, определящи положението на приемника в земнито пространство и отместването по времевата скала в приемника.

Всяка точка на земната повърхност има свои уникални координати. За определянето на координатите на всяка точка на Земята с GPS се използват спътници, компютри и различни изчислителни методи, на основата на тригонометрични съотношения.

GPS приемниците са програмирани така, че когато в тях постъпват данни от измервания, които не се пресичат в една точка към необходимият момент, се проверява за възможни грешки във времето на часовника на приемника спрямо системното време. Използването на данни от измерванията до повече от три спътника изключва възможността от грешка в часовника на приемника. За целта GPS приемникът трябва да има не по-малко от четири канала, като с всеки от четирите спътника работи отделен канал. GPS приемникът измерва времето, за което радиосигналът от спътника се приема на Земята, а след това по това време изчислява разстоянието.

Радиосигналът се разпространява със скоростта на светлината – около 300 000 километра в секунда (скоростта, с която се разпространяват електромагнитните вълни). Времето, за което сигналът достига до потребителя, е разликата във времето на приемане и на изпращане на сигнала. В математически вид това се представя със следния израз:

R = (tr - te) . c

R е изчисленото разстояние до спътника, tr и te са съответно времето на приемане и излъчване на сигнала, а c е скоростта на светлината [12]. По този начин, ако може точно да се определи моментът от време, в който спътникът е започнал да излъчва сигнал и моментът, в който приемникът е получил този сигнал, ще се определи какво време е било необходимо, за да се получи. Времето, необходимо за получаването му, умножено по скоростта на светлината като резултат дава разстоянието от точката до спътника. Но, разстоянието изчислено в приемника съдържа грешки и не представлява реалната стойност. Това разстояние се нарича псевдоразстояние и именно то се използва за определяне на позицията. За да се определи времето за разпространение на сигнала е необходимо да се знае кога той е излъчен от спътника.

Приемникът и спътникът използват еднакъв код и се синхронизират така, че да генерират едновременно еднакъв псевдослучаен код. Тъй като GPS-спътниците изпращат известен, повтарящ се 1023-битов, псевдослучаен код, приемниците са способни да генерират същия този код. Приемникът проверява входящия сигнал от спътника и определя кога той е генерирал такъв код. Получената разлика се умножава по скоростта на светлината. Използването на кода позволява на приемника да определи времето за забавянето на сигнала. Този псевдослучаен код (PRN или PseudoRandom Number code) позволява на спътниците да излъчват сигнал на една и съща честота, тъй като всеки спътник се идентифицира по своя PRN. Сигналите се излъчват от спътниците с достатъчна мощност (~25,6 W и антени с 13 dB усилване), за да се осигури ниво на сигнала най-малко -160 dBW на земната повърхност [12].

Системата е предназначена да работи с еднопосочни измерения (само се приемат от апаратурата), да обслужва неограничено количество потребители, да осигурява точни, еднозначни измервания на разстоянието, точно измерване на доплеровото преместване, измерване на носещата фаза, да осигурява предаването на съобщенията, да осигурява поправките за йоносферните закъснения; възможност за измервания със сигнали от много спътници, да имат защита от интерференция и допустима многозначност на сигнала.

Електромагнитната вълна най-общо притежава четири параметъра: амплитуда, честота, фаза и поляризация. Ако един от тези параметри контролирано се измени по определен способ, или се модулира, в този случай магнитната електровълна може да носи информация. Широко се използва амплитудната модулация, например, за предаването на дълги, къси и средни вълни и при способи за космическа връзка; честотната модулация се използва за точно предаване на информация на много високи честоти; фазовата модулация обикновенно се използва за пренос на данни. Модулираният сигнал може или непрекъснато да се изменя (аналогова форма) или да има фиксирано цифрово ниво (цифрова форма).

Сигналите от спътниците, които се предават непрекъснато носят кодове, които представляват псевдослучайно редуване на нули и единици, като те са вложени в колебанията на високи носещи честоти, излъчвани от предавател на спътника. На тези честоти е вложена цялата информация, предавана от спътника. Това става чрез изменение т.е. модулация на сигнала. В спътниковите GNSS системи се използва особен способ на фазова модулация – в момента на смяната в кода от 0 на 1 или от 1 на 0 фазата на носещото колебание се отмества на 180°. По такъв начин от спътника се предава цялата информация. Данните предварително се преобразуват в двоичен код и в моментите на смяна в кода фазата прескача на 180°.

С фазовата модулация се изменя честотния спектър на сигнала. Модулираните колебания съдържат множество честоти разположени от двете страни на носещата честота. Общата мощност на сигнала на носещата честота при това рязко намалява и се преразпределя по целия спектър. В апаратурата на потребителя сигналите с кодовете и другите данни за понататъшната им обработка се отделят чрез демодулация – процес, обратен на модулацията. В системата NAVSTAR GPS на всеки спътник се намира еталонен генератор на основната честота f0 = 10,23 MHz от колебанията на която се образуват сигналите L1 и L2. Освен като носещи честоти за цялата спътникова информация, те се използват и за най-точно измерване на разстояние чрез използването в приемниците на фазов метод.

В GPS като защитна функция от неоторизирано вмешателство в работния системен процес се използва режим за допълнително шифроване на сигнала AS (Anti Spoofing), а Р-код се трансформира в друг Y-код. В апаратурата на военните потребители функцията за преобразуване на кода е известна и се използва при демодулацията на Y-кода.

В GPS разделянето на сигналите е кодово. Кодовите сигнали от закономерно редуване на 0 и 1 се възприемат като случаен шум. Сигналът неколкократно превишава нивото на шума, като важен показател е отношението сигнал/шум (Signal to Noise Ratio). Колкото SNR e по-голямо, толкова е по-добре, въпреки, че строгата последователност на кода се отличава и приема от апаратурата и при малка мощност на сигнала, с малка антена.

Както вече беше посочено кодът на спътника и приемника трябва да се генерира в едно и също време. Позицията на всеки приемник се определя като точка в тримерното пространство на земята и се състои от три координати – ширина, дължина и височина. За да определи точното си положение, всеки приемник трябва да реши уравнение с три неизвестни, наречено навигационно уравнение.

Изчисленията, които извършва апаратурата пряко зависят от точния ход на часовниците на спътника и приемника. На спътниците са монтирани атомни часовници, които имат точност около една наносекунда. Те са прекалено скъпи, за да бъдат поставяни на клиентски GPS устройства, поради което измерванията от четвъртия спътник се използват за отстраняване на грешките в часовника на приемниците, ако часовниците не са синхронизирани.