Основне призначення супутникових навігаційних систем другого покоління - глобальна оперативна навігація приземних рухомих об'єктів: наземних (сухопутних, морських, повітряних) і низькоорбітальних космічних апаратів. Це означає, що будь-який об'єкт, оснащений приймачем СНС, може в будь-якому місці приземного простору і в будь-який момент часу визначити параметри свого руху - три координати і три складові вектора швидкості.
Поряд із забезпеченням оперативної навігації різних об'єктів СНС другого покоління дозволяють проводити:
- локальну високоточну навігацію рухомих об'єктів (сухопутних, морських, повітряних) на основі диференціальних методів із застосуванням стаціонарних наземних коригувальних станцій;
- високоточну взаємну геодезичну «прив'язку» віддалених наземних об'єктів;
- взаємну синхронізацію стандартів частоти і часу на віддалених наземних об'єктах;
- Неоперативне автономну навігацію среднеорбітальних космічних об'єктів;
- визначення орієнтації об'єкта на основі радіоінтерферометричних вимірювань на об'єкті за допомогою навігаційних радіосигналів, що приймаються рознесеними антенами.
СНС другого покоління включають в себе три сегменти:
- орбітальне угруповання НКА;
- наземний комплекс управління;
- приймальну апаратуру користувачів (Приемоиндикатор).
Основні функції НКА полягають у формуванні та випромінюванні навігаційних радіосигналів. Для цього до складу їх апаратури входять: радіотехнічне обладнання (передавачі навігаційних сигналів і телеметричної інформації, приймачі даних і команд від наземного комплексу, антени, блоки орієнтації), ЕОМ, бортовий еталон часу і частоти, сонячні батареї і ін. Конфігурація мережі НКА забезпечує задану робочу зону, можливість реалізації різних методів навігаційно-тимчасових визначень, діапазон зміни параметрів радіосигналів. Кілька НКА, розташованих на певних орбітах, можуть формувати суцільне, з точки зору наземного і надземного споживача, радіонавігації поле (глобальну робочу зону), що дозволяє проводити навігаційні вимірювання з високою точністю.
Наземний комплекс забезпечує спостереження і контроль за траєкторією руху НКА, якістю функціонування їх апаратури, управління режимами її роботи і параметрами супутникових радіосигналів, складом, обсягом і дискретністю переданої зі супутників навігаційної інформації. Наземний комплекс складається з координаційно-обчислювального центру, станцій траєкторних вимірювань, станцій управління, системного еталона часу і частоти. Періодично, при польоті НКА в зоні видимості станції управління, відбувається закладка в пам'ять бортовий ЕОМ супутника спеціальної інформації, яка потім передається споживачам в навігаційному повідомленні у вигляді кадрів відповідного формату. Зокрема, в це повідомлення закладається так званий альманах - набір довідкових відомостей про мережі НКА, що включає ефемериди (параметри руху) всіх НКА, які використовуються приймачем для початкового вибору робочого сузір'я супутників.
На першому етапі апаратура наземних комплексів вимірює координати супутників в процесі їх прольоту в зоні видимості і обчислює параметри їх орбіт. Потім ці дані прогнозуються на фіксовані (опорні) моменти часу, наприклад, на середину кожного часового інтервалу майбутніх доби до вироблення наступного прогнозу. Спрогнозовані таким чином координати і їх похідні (ефемериди) передаються на супутники, щоб потім у вигляді навігаційного повідомлення, відповідають цим вказівкам моментів часу, послідовно передаватися споживачам. На другому етапі в приймальнику споживача за цими даними здійснюється вторинне прогнозування координат НКА, яке полягає в обчисленні поточних координат НКА в інтервалах між опорними точками траєкторії. Процедури первинного і вторинного прогнозування координат здійснюються з урахуванням відомих закономірностей руху НКА. На відміну від самовизначаються НКА розглянутий варіант функціонування СНС забезпечує спрощення апаратури супутників за рахунок ускладнення наземного обладнання.
Таким чином, завдання визначення місця розташування об'єкта в першому наближенні зводиться до визначення відстаней до двох супутників.
Визначення цих відстаней при відомій швидкості поширення радіосигналу (300 000 км / с) проводиться досить просто, якщо відомий момент часу, коли він переданий зі супутника. Для цього, по-перше, супутники забезпечені бортовими годинами з наносекундной точністю і, по-друге, приймач повинен бути синхронізований з цим годинником, щоб на передавальної і приймальні стороні генерувався один і той же код в один і той же час. При таких умовах зрушення одного коду по відношенню до іншого буде відповідати часу проходження сигналом відстані від супутника до приймача.
Якщо супутник і приймач мають розбіжність шкал часу (виходять із синхронізму), наприклад, на 0,01 с, то вимір відстані буде зроблено з помилкою в 2 993 км (!). Оскільки в кожному приймачі неможливо використовувати громіздкі і дорогі атомні годинники (вартістю близько 100 000 доларів), то виявилося, що це складне становище можна обійти, якщо провести додаткові вимірювання відстані.
Припустимо, що об'єкт знаходиться в чотирьох секундах від супутника А, в шести від супутника В і в восьми від супутника С. Якщо годинник на супутнику і в приймачі мають однакову точність ходу, то точне місце розташування на площині в принципі може бути знайдено, як уже говорилося , за вимірюваннями відстані до двох супутників. Якщо ж отримані вимірювання з трьох супутників, то при однаковій точності ходу годинника супутника і приймача коло, описаний радіус-вектором третього супутника, буде перетинатися з двома іншими в одній точці. Однак якщо годинник в приймачі поспішають на 1 с, то кола від кожного супутника вже не перетинаються в одній точці. У цьому випадку комп'ютер приймача починає віднімати (або додавати) час методом послідовних ітерацій до тих пір, поки не зведе всі три виміри до однієї точки (для двох кіл таке неможливо). Після цього обчислюється поправка і робиться відповідне зрівнювання методом найменших квадратів.
Таким чином, при визначенні координат на площині (широти і довготи) і при неточності ходу годинника в приймальнику проводяться вимірювання не справжніх відстаней, а так званих псевдо до трьох супутників, а при визначенні трьох координат (широта, довгота і висоти) - до чотирьох. Крім того, якщо необхідно виконувати безперервне місцевизначення в реальному масштабі часу, то, очевидно, доцільно використовувати приймач, який має принаймні чотири канали (що випускаються в даний час приймачі мають в більшості випадків 12 каналів).
При визначенні відстаней до супутників основними джерелами похибок є:
У деяких випадках використовується поняття маски по куту піднесення - це кут, відлічуваний від горизонту, нижче якого супутники не використовуються. Для робіт на ділянках, де є місцеві перешкоди (наприклад, листя дерев або будівлі) ймовірність точного визначення координат існує лише в тому випадку, якщо значення маски піднесення дорівнює чи перевищує 159. Наприклад, в геодезичних GPS-приймачах фірми Trimble за замовчуванням встановлено значення маски піднесення 15 ° для додатків з постобработкой даних і 13 ° для зйомок в реальному часі. Коли супутник перебуває близько до горизонту, то його сигнали повинні пройти значну відстань через атмосферу, в результаті чого він послаблюється і затримується, що призводить до виникнення суттєвої помилки при обчисленні відстані.
У разі диференціального режиму маска по куту піднесення для пересувного приймача повинна бути більше, ніж для базової станції, на 1 ° на 100 км відстані між приймачами.
Програмне забезпечення для обробки даних з приймачів СНС в багатьох випадках може розраховувати і виводити на дисплей реєстратора планісфери (Sky Plots) із зображенням геометрії сузір'я супутників. Планісфери виглядають як коло, на якому зображена проекція небесної сфери з маркерами, що відображають видиме положення супутників; супутники у горизонту потрапляють на край планісфери.
Ідеальною є конфігурація з чотирьох супутників, три з яких розташовані невисоко над горизонтом симетрично щодо четвертого супутника, що знаходиться в зеніті. В цьому випадку виходять найбільш якісні результати вимірювань, т. К. Будь-які помилки визначення горизонтальних координат, отримані з одного напрямку, контролюються вимірами з протилежного боку, а супутник, розташований в зеніті, дає перевірку по висоті для трьох інших.
Погана геометрія буде в тому випадку, коли всі супутники розташовані в одній і тій же частині неба або вишикувалися в пряму лінію. Певна геометрія може бути невдала для окремого DOP-параметра і виграшна для інших видів DOP. Наприклад, якщо потрібна перш за все точність визначення тільки горизонтальних координат, то можна використовувати геометрію, показану в прикладі: незважаючи на велике значення PDOP, точність визначення горизонтальних координат буде досить високою.