- 28.35 Кб

Основы GPS: использование высокоточных эфемерид при обработке измерений.

Что такое эфемериды?

В знаменитом словаре определений Вебстера, приводится следующее определение термина эфемериды" "Эфемериды – это таблица координат небесного тела, приведенная в различные периоды времени за определенный период. Астрономы и геодезисты используют эфемериды для определения положений небесных тел, которые берутся в дальнейшем для вычисления координат точек на поверхности земли.

В общем, для нас GPS эфемериды можно сравнить с GPS спутниками, и представить их в качестве созвездия искусственных звезд. Для того, чтобы вычислить наше местоположение относительно спутников GPS, нам нужно знать их местонахождение в пространстве, другими словами их эфемериды. Существует два типа эфемерид: переданные (бортовые) и точные.

Переданные (бортовые) эфемериды

Переданные (бортовые) эфемериды, как видно из их названия, передаются непосредственно от GPS спутников. Переданные эфемериды содержат информацию об элементах кеплеровской орбиты, которые позволяют GPS приемнику вычислять общеземные геоцентрические координаты каждого спутника, относительно исходной геодезической даты WGS-84. Эти кеплеровские элементы состоят из информации о координатах спутников на определённую эпоху и изменений параметров орбиты от отчетного периода до момента наблюдения (принимается рассчитанная скорость изменения параметров). Пять станций мониторинга постоянно отслеживают заранее предсказанные положения орбит спутников, формируя поток эфемеридной информации. Далее главная управляющая станция Navstar ежедневно передает переданные эфемериды на спутники. Вычисленная точность переданных эфемерид составляет ~ 260 см и ~ 7 нс.

Точные эфемериды (Final products)

Точные эфемериды состоят из общеземных геоцентрических координат каждого спутника, определенных в Общеземной наземной системе отчета и включают поправки часов. Эфемериды вычисляются для каждого спутника с интервалом 15 мин. Точные эфемериды – это продукт постобработки. Данные собираются станциями слежения, расположенными по всей территории Земли. Далее эти данные передаются в Международную Службу GPS (IGS), где и происходит вычисление точных эфемерид. Точные эфемериды становятся доступными приблизительно через 2 недели после времени сбора данных и имеют точность менее 5 см и 0.1 нс.

Точные эфемериды можно скачать с сервера NASA:
ftp://igscb.jpl.nasa.gov/ igscb/product/

Быстрые эфемериды (Rapid products)

Быстрые эфемериды вычисляются по тому же принципу, что и точные эфемериды, однако при обработке используется меньший набор данных. Быстрые орбиты, как правило, “выкладываются” на службы международных агентств на следующий день. Точность быстрых эфемерид составляет 5 см и 0.2 нс.

Быстрые эфемериды можно скачать с сервера IGS:

Предсказанные или Ультрабыстрые эфемериды (Ultrarapid products)

Ультрабыстрые эфемериды передаются, как и переданные эфемериды, но обновляются они дважды в день. Иногда их называют эфемеридами в реальном времени. Это можно объяснить тем фактом, что их используют также как и переданные эфемериды, но для приложений в реальном времени. Точность ультрабыстрых эфемерид составляет ~ 25 см и ~ 5 нс.

Ультрабыстрые эфемериды можно скачать с сервера IGS:
http://igscb.jpl.nasa.gov/ components/dcnav/igscb_ product_wwww.html

А нужны ли нам точные эфемериды?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, давайте установим связь между точностью эфемерид и точностью решения GPS вектора. Предположим, речь идет о базовой линии длиной 10 км. Мы обрабатываем линию, используя при этом, переданные эфемериды (точность 2.60 м). В этом случае, ожидаемая точность будет равна (10 км /20000 км) * 2.60м = 1.3 мм. Если длина базовой линии будет равна 100 км, ошибка возрастет до 13 мм. Эти цифры позволяют сделать вывод о том, что на коротких базовых линиях (до 100 км) использование переданных эфемерид является более чем достаточным.

Вообще, можно говорить о том, что в связи с развитием системы GPS, потребность в точных эфемеридах несколько уменьшилась. Например, еще несколько лет назад ошибка переданных эфемерид составляла 20 м, при этом ошибка измерения на 10 км базисе составила бы 1 см.

Зачем использовать точные эфемериды?

Во-первых, необходимо иметь в виду, что величины ошибок, которые приводились ранее, справедливы для линий, имеющих фиксированные решения. Однако на линиях порядка 50 км и выше, весьма трудно получить фиксированное решение, используя переданные эфемериды. Использование точных эфемерид значительно повышает шансы получить фиксированное решение.

Во-вторых, давно известно, что высота с помощью GPS определяется менее точно, чем плановые координаты. Поэтому, при работах, требующих более качественного определения высоты, рекомендуется использовать точные эфемериды.

В-третьих, надо помнить о том, что переданные эфемериды только предположение о том, где должны находиться спутники. Иногда могут возникнуть ситуации, когда в переданных эфемеридах содержатся ошибки, которые не могут не отразиться на качестве решения базовой линии. Выходом из такой ситуации, может служить использование быстрых эфемерид, спустя сутки после выполнения наблюдений.

Где я могу найти точные эфемериды?

Существует много источников, где можно бесплатно найти различные типы эфемерид. В качестве примеров, можно привести сайт Международной Геодинамической Службы (IGS):
http://igscb.jpl.nasa.gov/ components/prods.html

Какой наиболее распространённый формат точных эфемерид?

Точные эфемериды доступны в двух стандартных форматах: SP3 (ASCII формат) и E18(бинарный формат). Большинство профессиональных программ обработки GPS измерений напрямую поддерживают один из этих двух форматов (например, Trimble Geomatics Office поддерживает оба типа точных эфемерид, прим. переводчика). При необходимости можно воспользоваться утилитой по переводу между этими двумя форматами.

Как формируется название файлов точных эфемерид?

Если Вы впервые используете точные эфемериды, имена их файлов могут показаться вам сложными и не имеющими логического построения. Однако на деле, все оказывается не таким уж сложным. Имена файлов точных эфемерид имеют вид zzznnnnx.aaa, где

zzz – имя организации (NGS, IGS и т.д.)
nnnn – порядковый номер GPS недели (например 0475)
x –день недели (воскресенье=0, суббота=6)
ааа – тип файлы (например, sp3, e18)

ГЛОБАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

1. РЕЖИМЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Кодовый режим - это режим, изначально заложенный в систему. Сигнал каждого спутника содержит его эфемериды - данные о местоположении спутника, позволяющие вычислить координаты спутника в земной системе координат. Кроме того, кодовый сигнал содержит передаваемую каждые шесть секунд временную метку. Момент ухода временной метки со спутника, определенный по часам спутника, подписан на ней. Приемник захватывает сигнал спутника, идентифицирует спутник по коду его сигнала, считывает временную метку и определяет время t r прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника. Все было бы именно так, если бы часы приемника и спутника шли синхронно. На самом деле между их показаниями в один и тот же момент времени существует ненулевая разность - относительная поправка часов. Она входит в результат определения дальности. Поэтому в данном случае дальность называют псев додальностью. Говорят, что в кодовом, навигационном режиме измеряемой величиной является кодовая псевдодальность. Поправку часов приемника относительно часов спутника на момент наблюдений определяют как неизвестную величину из обработки результатов этих наблюдений.

Таким образом, для каждого пункта имеется не три неизвестных - три координаты пункта - а четыре неизвестных: три координаты и поправка часов приемника. Следовательно, для мгновенного определения местоположения необходимо, чтобы на антенну приемника одновременно приходили сигналы не менее чем от четырех спутников системы. Созвездие спутников системы обеспечивает это требование.

Фазовый режим - это режим высокоточных геодезических измерений. В нем одновременно участвуют по крайней мере два приемника. В этом режиме получают координаты вектора базы, то есть разность координат пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Ошибка определения вектора базы составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Измерения выполняют на несущей частоте сигнала спутника, освобожденного от кода процедурой квадратирования. Измеряемой величиной является мгновенная разность фаз сигнала спутника и сигнала генератора приемника. Здесь уместно сказать о терминах абсолютные и относительные определения. По более или менее сложившейся терминологии под абсолютными определениями понимают определение координат пункта, то есть работу в кодовом навигационном режиме. Под относительными определениями понимают определение местоположения одного пункта относительно другого - твердого, исходного пункта. Таков разностный фазовый режим геодезических измерений. Относительными определениями можно также назвать дифференциальный навигационный кодовый режим, когда местоположение и вектор скорости подвижного носителя определяют относительно дифференциальной станции.

Допплеровский режим, точнее режим интегрального допплера, является как бы побочным по отношению к фазовому. Допплеровская частота пропорциональна скорости изменения фазы, поэтому допплеровскую частоту получают попутно с измерением фазы, без каких-либо дополнительных затрат. Несмотря на «бесплатность» этот режим дает богатую информацию о местоположении пункта. Следует напомнить, что первые спутниковые радионавигационные системы были исключительно допплеровскими.

Как сказано, режимы наблюдений неразрывно связаны друг с другом. Геодезиста более всего интересует высокоточный фазовый режим, однако приближенные значения координат пунктов, необходимые для уравнивания, он получает из кодовых и допплеровских измерений. Перемещение по объекту и поиск исходных пунктов также очень облегчает использование кодового навигационного режима. Далее рассмотрим измеряемые величины более детально.

1.1. Кодовые псевдодальности

Каждый спутник системы излучает несущие колебания с длиной волны около 20 сантиметров, манипулированные по фазе кодовыми последовательностями. О структуре сигнала подробнее написано в разделе 3. Здесь скажем, что все спутники GPS работают на одних и тех же несущих частотах, но каждому спутнику присущ его индивидуальный код. Спутниковый приемник генерирует копии кода каждого спутника и идентифицирует спутники именно по форме кода. Сразу после включения приемника он начинает захват сигналов спутников. Другими словами, приемник выполняет корреляционную обработку сигнала спутника и генерируемых этим приемником копий кодов, перебирая эти копии. Отличие функции корреляции от нуля означает, что спутник идентифицирован, а его сигнал - захвачен.

После захвата сигнала первого же спутника приемник начинает скачивать кодовую информацию, содержащуюся в навигационном спутниковом сообщении. В частности, скачивается альманах. Об этом подробнее написано в разделе 3.2. Иногда приемник самостоятельно принимает решение перейти к скачиванию информации с другого, более «удобного», по его мнению, спутника, как правило, находящегося ближе всего к зениту пункта наблюдения. Вся процедура отражается на дисплее, оператор может это наблюдать, но не может вмешаться. После захвата сигналов достаточного количества спутников приемник начинает определять навигационные координаты своей антенны по измеренным кодовым псевдодальностям. Для определения всех трех координат антенны необходимо работать с четырьмя спутниками. Такой режим обозначают 3D (3 Dimensional) - трехмерный. В навигационных приемниках предусмотрена возможность работы в двумерном режиме 2D. Приемник, пока он успел захватить сигнал только трех спутников, определяет плановые координаты пункта. После захвата сигнала четвертого спутника приемник переходит в режим 3D.

Кодовые псевдодальности определяют из корреляционной обработки кодового сигнала спутника, и копии этого сигнала, генерируемой приёмником. С/А-кодовый и Р-кодовый сигналы спутника сопровождаются временными метками, генерируемые спутниковым стандартом частоты и времени - часами спутника. Аналогично кодовые сигналы приёмника сопровождаются временными метками, генерируемыми часами приёмника. В ходе корреляционной обработки осуществляют поиск максимума коэффициента корреляции двух сигналов. В результате получают относительную временную задержку двух сигналов как временной интервал между одноимёнными временными метками. Этот временной интервал, исправленный за задержки сигнала в атмосфере и еще за влияние ряда факторов и умноженный на скорость сигнала, дает псевдодальность. Ее вычисляют по формуле для случая однократного прохождения сигнала по дистанции. Отличие в том, что результат искажен поправкой часов приемника относительно часов спутника. По физической сути измерение кодовых псевдодальностей выполняют, реализуя временной метод измерений с кодовой модуляцией сигнала, проходящего дистанцию однократно. Зная из навигационного сообщения координаты спутников в момент наблюдений и используя измеренные псев до дальности, приемник определяет координаты антенны. Задача аналогична линейной пространственной засечке. Отличие в том, что в дополнение к координатам антенны получают поправку часов приемника. Ошибку измерений характеризует URA (User Range Accuracy) - точность измерения дальностей (до каждого спутника) для данного пользователя. Ошибка определения координат и поправки часов зависит также от геометрии наблюдений. Вся эта информация также выдается на дисплей. О геометрическом факторе написано в разделе 1.4.

Краткое описание

В знаменитом словаре определений Вебстера, приводится следующее определение термина эфемериды: "Эфемериды – это таблица координат небесного тела, приведенная в различные периоды времени за определенный период. Астрономы и геодезисты используют эфемериды для определения положений небесных тел, которые берутся в дальнейшем для вычисления координат точек на поверхности земли. В общем, для нас GPS эфемериды можно сравнить с GPS спутниками, и представить их в качестве созвездия искусственных звезд.

После заявления вице-премьера Дмитрия Рогозина о том, что Россия с 1 июня приостановит работу 11 наземных станций GPS на своей территории и что, возможно, с 1 сентября работа этих станций может быть полностью прекращена, офисные хомячки всполошились не на шутку. Как же теперь они найдут дорогу к холодильнику без GPS ? И смогут ли попасть на работу, если навигатор в машине не подскажет, где нужно повернуть?

Вместо того, чтобы разобраться в том, а зачем же вообще нужны эти станции, они начали сеять буквально панику на просторах интернета. Ведь ГЛОНАСС есть далеко не во всех телефонах и навигаторах.

Сегодня я расскажу вкратце о том, для чего используются базовые станции GPS , и действительно ли без них мир рухнет.

Во-первых разберемся из-за чего такая буча началась. Заявляения вице-премьера и дальнейшие действия являются симметричным ответом правительства России на отказ США размещать на своей территории станции коррекции сигнала российской навигационной системы ГЛОНАСС. А любая глобальная навигационная система, будь то российская ГЛОНАСС, американская GPS , европейская GALILEO, или китайская COMPASS создавались в первую очередь для применения в военных целях (грубо говоря, чтобы ракеты точнее наводить), а различные гражданские области применения — лишь побочный продукт. И в свете последних событий на политической арене, такие заявления нашего правительства являются вполне разумными.

Все, наверное, видели видеосюжеты в новостях про сверхточное оружие. Вот некоторая статистика: в операции «Буря в пустыне» лишь около 10% применявшейся боевой техники американцами использовали систему GPS для точного наведения, а уже в конфликте в Косово, GPS использовалась в 95% случаев для тех же целей.

Так для чего же нужны наземные станции?

На наземных станциях установлены приемники GPS для пассивного слежения за навигационными сигналами спутников, входящими в систему. После получения со спутника, информация передается, где впоследствии обрабатывается на главную управляющую станцию. Эти данные используются для обновления эфемерид спутников.

Эфемериды – это таблица, содержащая координаты небесного тела, приведенная в различные периоды времени за определенный период. Астрономы и геодезисты используют эфемериды для определения положений небесных тел, которые берутся в дальнейшем для вычисления координат точек на поверхности Земли.

Для нас GPS эфемериды можно сравнить с GPS спутниками, и представить их в качестве созвездия искусственных звезд. Для того, чтобы вычислить наше местоположение относительно спутников GPS , нам нужно знать их местонахождение в пространстве, другими словами, нам нужно знать их эфемериды. Существует два типа эфемерид: переданные (бортовые) и точные.

Переданные эфемериды

Переданные эфемериды поступают с GPS спутников. Они содержат информацию об элементах кеплеровской орбиты, которые позволяют GPS приемнику вычислять общеземные геоцентрические координаты каждого спутника, относительно исходной геодезической даты WGS-84 (это трехмерная система координат для позиционирования на Земле. В этой системе координаты определяются относительно центра масс Земли. Исходная дата — это дата, когда был определен центр масс ). Кеплеровские элементы состоят из информации о координатах спутников на определённую эпоху и изменений параметров орбиты от отчетного периода до момента наблюдения (принимается рассчитанная скорость изменения параметров). Наземные станции постоянно отслеживают заранее предсказанные положения орбит спутников, формируя поток эфемеридной информации. Далее, главная управляющая станция передает переданные эфемериды на спутники. Вычисленная точность переданных эфемерид составляет порядка 2.5 м и около 7 нс.

Точные эфемериды

Точные эфемериды состоят из общеземных геоцентрических координат каждого спутника, определенных в Общеземной наземной системе отчета и включают поправки часов. Эфемериды вычисляются для каждого спутника с определенным интервалом. Точные эфемериды – это продукт постобработки. Данные собираются наземными станциями и затем передаются в Международную Службу GPS , где и происходит вычисление точных эфемерид которые уже имеют точность порядка 5 см и 0.1 нс.

Отключение наземных станций GPS может отразиться лишь на точности позиционирования и вряд ли такая точность нужна для наших с вами повседневных задач. Простой обыватель, я думаю, не почувствует на себе потенциальное снижение этой точности при использовании смартфона в качестве навигатора.

Несмотря на то, что сам факт отключения базовых станций не приведет к тому, что устройства использующие систему GPS перестанут определять координаты, а лишь потенциально снизят , дальнейшим шагом теоретически может стать решение уже правительства США прекратить передачу сигнала GPS на территории РФ (просто пролетая над Россией американские спутники не будут транслировать сигнал). Конечно, это возможно. Но пока этого не произошло, и вряд ли случится завтра или через неделю. А через полгода лежащий в кармане смартфон станет уже не модным и нужно будет выбирать новый гаджет Вот тогда-то и нужно будет присмотреться к устройствам в которых есть ГЛОНАСС и я думаю, в ближайшее время их выбор только увеличится.

Точность, которую дает на сегодняшний день ГЛОНАСС несколько ниже чем у GPS , но этот разрыв сокращается с каждым новым запущенным российским спутником в рамках отечественной программы. К тому же несколько больше времени уходит на, так называемый, «холодный старт» — сигнал с первого найденного спутника в устройствах ГЛОНАСС ищется несколько дольше с точки зрения пользователя, и, на самом деле, не так уж это и страшно.

Как вы оцениваете эту публикацию?

Спутник GPS - это платформа, несущая комплекс оборудования, обеспечивающего энергопитание спутника, возможность корректировки орбиты и работоспособность. Питание обеспечивают солнечные батареи и аккумуляторы. Орбиту корректируют с помощью двигателей небольшой мощности.

Термин работоспособность означает способность выполнять функции, возложенные на спутник. Спутник имеет антенну и приемник для приема сигнала со станций закладки информации. Спутник имеет бортовой компьютер для запоминания информации, для ее трансляции и для координации работы спутника в целом. Ритм работы всей аппаратуры задают четыре цезиевых и (или) водородных стандарта частоты и времени. Частота колебаний стандартов равна 10,23 Мгц. Именно из этих колебаний путем умножения частоты, ее деления или преобразования гармонического колебания в кодовый сигнал получают все остальные сигналы спутника - несущие и модулирующие (кодирующие). Спутник имеет передатчик и антенну для передачи сигнала пользователю системы. На спутнике расположена также аппаратура стабилизации и ориентации, другая аппаратура.

Известны три класса спутников: Block I, Block II и Block IIR. Спутники Block I каждый весом в 845 килограммов запускали с 1978 по 1985 год с базы военно-воздушных сил в Калифорнии. Использовали ракету Atlas F. Заложенная в конструкцию продолжительность жизни спутника составляла 4,5 года. Некоторые спутники функционировали почти в три раза дольше. Угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора у спутников этого класса составлял 63 градуса. У запущенных позже спутников - 55 градусов. Спутники этого класса являлись в некотором смысле пробными, хотя полностью выполняли возложенные на них функции. Спутники следующей серии Block II были предназначены для создания операционного созвездия.

Первый спутник Block II, стоящий примерно 50 миллионов долларов и весящий более полутора тонн, был запущен 4 февраля 1989 года космическим центром имени Кеннеди с военно-воздушной базы Мыс Канавералл . штат Флорида, США. Использовали ракету-носитель Delta II. Конструкционная продолжительность жизни спутника этого класса составляла 6 лет, хотя некоторые спутники могли функционировать и 10 лет, поскольку на это время хватало запаса расходуемых материалов, в основном топлива. Различие между Block I и Block II связано с национальной безопасностью США. Сигнал спутника Block I был полностью доступен гражданскому пользователю, тогда как некоторые сигналы Block II ограничивают эту доступность.

Спутники класса Block IIR, практически полностью заменившие в настоящее время ранее запущенные, имеют конструкционную продолжительность жизни в 10 лет. Буква “R” означает модификацию или замену. На борту имеются водородные мазеры взамен рубидиевых и цезиевых стандартов частоты, установленных на спутниках предшествующих классов. Каждый спутник весит более двух тонн, стоит около 25 миллионов долларов. Запускают эти спутники с помощью Шаттла. Режим работы таков, что гражданский пользователь имеет к сигналу спутника еще меньший доступ. Более подробно о режиме ограничения доступа сказано в разделах 3.1 и 3.3.

3.1. Структура сигнала спутника

Основой работы системы является точное измерение времени и временных интервалов. Термин точное означает, что для достижения наивысшей точности используют все доступные средства. На главной станции управления и контроля, а также на каждом спутнике установлены наиболее точные из существующих сейчас цезиевые и водородные стандарты частоты и времени. Частота колебаний стандарта равна 10,23 Мгц. Все колебания и сигналы спутника получают из этой частоты путем когерентного преобразования: умножения и деления частоты опорного генератора - стандарта частоты и времени. Два колебания несущей частоты получают умножением частоты опорного генератора на соответствующий коэффициент. Колебание L1=1575,42 МГц получают умножением на 154. Колебание L2=1227,60 МГц получают умножением на 120. Измерения на двух несущих частотах используют для реализации дисперсионного способа учета влияния ионосферы и для облегчения процедуры разрешения многозначности фазовых измерений.

Несущие колебания модулируют кодовыми сигналами: С/А-кодом и Р-кодом. При этом Р-кодом модулируют оба несущих колебания; С/А-кодом модулируют только колебания первой несущей частоты. Тактовая частота Р-кода равна частоте колебаний опорного генератора. Тактовую частоту С/А-кода получают делением частоты колебаний опорного генератора на десять. О кодах написано в разделе 3.3. Кроме того, несущие колебания модулированы навигационным спутниковым сообщением.

3.2. Навигационное сообщение, эфемериды

Навигационное сообщение называют также спутниковым сообщением или навигационным спутниковым сообщением . В англоязычной терминологии - это navigation massage. Встречается даже название информационное сообщение, хотя, по определению, любое сообщение не может не содержать информации. Далее для краткости будем использовать термин сообщение .

Сообщение содержит информацию в объеме 1500 бит и передается за 30 секунд. Но не вся информация передается в этот краткий отрезок времени. Например, альманах передается в течение нескольких сообщений, об альманахе см. далее. Сообщение содержит пять блоков (кадров, подкадров, по-английски - subframes). Каждый блок транслируется в течение 6 секунд и содержит 10 слов. Каждое слово содержит 30 бит.

Каждый блок начинается с телеметрического слова - telemetry word (TLM). Оно содержит синхронизирующий формат и диагностическое сообщение - сообщение или часть сообщения о статусе спутника и системы в целом. Далее идет ключевое слово - hand-over word (HOW). Этот термин можно перевести как слово, передаваемое из рук в руки. По смыслу - HOW - это временная метка.

Первый блок содержит параметры часов спутника и коэффициенты модели ионосферы. Параметры часов - это поправка и ход часов спутника относительно GPST. Информацию о параметрах модели ионосферы используют только при работе с одночастотными приемниками. Если есть двухчастотный приемник, то применяют дисперсионный способ.

Второй и третий блок содержат эфемериды спутника, транслирующего данное сообщение. Эти эфемериды называют широковещательными. Их получают из результатов наблюдения спутников с пяти станций слежения.

Наблюдение спутников станциями слежения, первичная обработка результатов, передача их на главную станцию управления и контроля, обработка результатов там, передача их на станции закладки информации и сама закладка требуют времени. Следовательно, хранящиеся в памяти бортовых компьютеров и транслируемые широковещательные эфемериды в момент их трансляции уже устарели. Поэтому транслируемые эфемериды - это результат предсказания, экстраполяции. По этой же причине эфемериды закладывают в память бортовых компьютеров спутников как можно чаще - примерно каждый час.

Четвертый блок зарезервирован для передачи служебной информации. Приемники гражданских пользователей не имеют возможности регистрации этой информации.

Пятый кадр содержит альманах спутников и информацию о состоянии системы. Альманах - это приближенные эфемериды спутников системы и данные о здоровье каждого спутника. Каждый спутник каждые 12,5 минут транслирует информацию о созвездии спутников. Чтобы получить альманах до начала наблюдений и использовать эти данные на этапе планирования необходимо выставить приемник на любое открытое место, подержать его там включенным минут 15-20, выключить и перекачать данные на офисный компьютер. В процессе наблюдений свежий альманах получают вообще без дополнительных затрат времени.

Эфемериды спутника - это полный набор данных об орбите спутника и о положении спутника на орбите. Пользователя GPS интересуют геоцентрические координаты спутника в системе WGS84 в момент ухода сигнала с этого спутника. Аппаратура пользователя вычисляет координаты спутника, используя данные, содержащиеся в файле эфемерид. Эфемеридная информация отнесена к референцному (опорному,исходному) моменту

t o, этот момент указан в файле эфемерид . В сообщении приведен также AODE (Age of Data) - “возраст” эфемеридных данных, то есть интервал времени, прошедший с момента закладки данных в память бортового компьютера. Напомним, что параметры эфемерид являются оскулирующими и относятся к референцному моменту. Далее конспективным образом перечислена информация, содержащаяся в широковещательных эфемеридах.

	- корень квадратный из большой полуоси эллипса орбиты. Именно корень квадратный из большой полуоси входит в формулу для вычисления орбитальных координат спутника по его эфемеридам; кроме того, информация о корне квадратном из полуоси требует меньше места в сообщении, чем информация об оси.
е	- эксцентриситет орбиты
W	- прямое восхождение восходящего узла орбиты спутника
W `	- скорость изменения прямого восхождения восходящего узла орбиты спутника
i	- угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора
i`	- скорость изменения угла наклона
М о	- средняя аномалия на референцный момент
D n	- отклонение значения среднего движения от предвычисленного
C uc и C us	- амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в аргумент широты
C rc и С rs	- амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в радиус орбиты
C ic и С is	- амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в угол наклона орбиты. Формулы для возмущений оскулирующих элементов учитывают только влияние на движение спутника сжатия Земли

3.3. Вычисление орбитальных координат по эфемеридам

Рассмотрим, как используют эфемериды спутника для вычисления его прямоугольных координат Х о и Y о в экваториальной системе координат на момент наблюдений. Формулы (1) являются конечным этапом решения задачи.

Х о = r cos u , Y o = r sin u . (1) Отсюда видно, что задача сводится к определению на момент наблюдений радиуса орбиты r спутника и аргумента широты u . Момент наблюдений t получают из фиксации момента прихода на приемник временной метки. В качестве исходной информации используют также значение одной из фундаментальных геодезических постоянных m - произведение гравитационной постоянной на массу Земли . В WGS84 m =3,986008· 10 14 м/сек 2 . Процедуру вычисления орбитальных координат разделяют на четыре этапа. На первом этапе вычисляют истинную аномалию V . Порядок вычислений следующий. Вычисляют временной интервал D t , прошедший от референцной исходной эпохи t o до момента t наблюдений :

D t=t-t o.

Вычисляют приближенное значение среднего движения n o = (m /a- 3 )- 1/2. Вычисляют уточненное значение среднего движения n=n o +D n. Вычисляют среднюю аномалию M=M o +nD t. Используя уравнение Кеплера M=EsinE, вычисляют эксцентрическую аномалию Е . И окончательно на этом этапе вычисляют истинную аномалию V , используя формулы : cosV=(cosE-e)/(1-ecosE) и sinV=(1-e- 2 sinE)- (1/2)/(1-ecosE). На втором этапе вычисляют значение аргумента широты U. Порядок вычислений следующий. Вычисляют приближенное значение аргумента широты U o =V+w . Вычисляют поправку в приближенное значение аргумента широты за влияние сжатия Земли на орбиту спутника по формуле : D U=C uc cos2U o + C us sin2U o. Напомним, что коэффициенты С содержатся в эфемеридах. Смысл индексов при этих коэффициентах состоит в следующем. Индекс U означает, что вычисляется именно аргумент широты U. Индексы С и S означают, что они стоят соответственно при косинусоидальном и при синусоидальном членах. Далее такая система индексации сохранена. Окончательно на этом этапе вычисляют уточненное значение аргумента широты U=U o +D U. На третьем этапе вычисляют радиус r о рбиты спутника. Порядок вычислений следующий. Вычисляют приближенное значение радиуса орбиты, используя формулу : r o =a(1-ecosE). Вычисляют поправку в радиус орбиты за сжатие Земли : D r=C rc cos2U o + C rs sin2U o. Смысл нижних индексов тот же, что и на предшествующем этапе. И окончательно на этом этапе вычисляют уточненное значение радиуса орбиты: r=r o +D r. Координаты спутника, полученные по широковещательным эфемеридам, могут содержать ошибку порядка 100 метров. Причины столь невысокой точности следующие. Во-первых, широковещательные эфемериды по своей сути являются результатом предсказания орбиты, то есть это - экстраполированные эфемериды. Во-вторых, при их вычислении учитывают только один, правда, наиболее существенный, фактор, возмущающий орбиту спутника - влияние сжатия Земли. Неучет остальных факторов ведет к падению точности при сколько-нибудь длительной экстраполяции. И в-третьих, для неавторизованного пользователя эфемериды намеренно загрубляют.

3.4. Коды

Несущие колебания спутника манипулированы по фазе кодовыми сигналами. Вернемся к рассмотрению кодов, начатому в разделе 3.1.

По статистическим характеристикам коды являются случайными, следовательно образуют широкополосный сигнал. Длина когерентности такого сигнала мала, поэтому при корреляционной обработке получают узкий и единственный главный максимум функции корреляции. В свою очередь, это позволяет однозначно и с высокой точностью измерять временную задержку в кодовом режиме. Приемно-регистрирующая аппаратура, не “знающая” закономерности формирования кода, воспримет сигнал спутника как шумовой, случайный. На самом деле коды формируют закономерно, хотя вид закона сложен. По причине сказанного сигнал спутника называют псевдошумовым, а коды - псевдослучайными.

Существуют два вида измерительных кодов. Легко доступный, легко обнаруживаемый, широковещательный код - С/А-code - Coarse Acquisition code. Точный P-code - Precision code. Спутник имеет индивидуальный С/А-код, повторяющийся каждую миллисекунду. Приемник идентифицирует и захватывает сигнал спутника на частоте L1 легко, поскольку эта частоте модулирована С/А-кодом. Гораздо сложнее дело обстоит с захватом сигнала спутника на частоте L2 , то есть на второй несущей частоте. С/А-код на нее не подают, так что захват сигнала и последующие наблюдения возможны только в Р-коде. Это затрудняет работу пользователя и это затруднение намеренно заложено в структуру системы.

Спутнику в данную эпоху присущ Р-код, повторяющийся через неделю. В то же время, системе присущ весь Р-код в целом. Длительность Р-кода системы равна 266,4 суток. Другими словами, весь длинный Р-код системы разделен на недельные отрезки, интервалы. Каждый отрезок в данную эпоху приписан конкретному спутнику. Изначально доступ к Р-коду имели только авторизованные пользователи, в основном, американские военные. Сейчас аппаратура практически всех пользователей имеет доступ к Р-коду. Этот доступ осложнен тем, что Р-кодовый сигнал подвергнут дополнительному кодированию (шифрованию) так называемым Y-кодом. Как сказано в литературе, сделано это для того, чтобы предотвратить возможность нарушения работы системы путем внешнего вмешательства. Такой режим работы назван Anti-Spoofing (AS) - режим противодействия несанкционированному воздействию. Он сводится именно к использованию Y-кода. В свою очередь, Y-кодирование - это обмен недельными отрезками Р-кода между спутниками в последовательности, известной лишь персоналу, управляющему системой. Если эта последовательность неизвестна пользователю, то есть его приемник не содержит соответствующего чипа, то отсутствует возможность захватить сигнал в Р-коде на второй несущей частоте и дорогой и высокоточный двухчастотный приемник может работать только как одночастотный. Производители аппаратуры, однако, тем или иным путем преодолели эти трудности, например, заплатив за возможность установки в приемники соответствующих чипов. Поэтому представляется, что необходимость в Y-кодировании отпала.

Наблюдения в С/А-коде называют Standard Positioning Servise (SPS) - стандартной службой позиционирования. Навигационные координаты в этом режиме определяют с ошибкой 100-200 метров. Наблюдения в Р-коде называют Precise Positioning Servise (PPS) - служба определения точного местоположения. Навигационные координаты в этом режиме определяют с ошибкой порядка 10-20 метров.

Данный сервис предоставляет возможность подобрать файлы точных эфемерид зная дату наблюдений. Просто укажите дату и нажмите "Подобрать".

Назначение точных эфемерид - более точная обработка статических наблюдений. Их применение в обработке не гарантирует высокое качество, но может повысить колличество фиксированных решений если работа велась в сложных условиях (ограниченный обзор в городе с плотной застройкой, вблизи деревьев и т.п.).

Данные рассчитываются и хранятся в публичном доступе на FTP-серверах Международной ГНСС службы и Архива данных космической геодезии NASA .

Наилучшие final эфемериды вычисляются и публикуются с задержкой 12-18 дней. В реальном времени (или с задержкой в несколько часов) доступны т.н. ultra-rapid и rapid продукты. Их точность хуже чем у финальных, но в то же время значительно лучше чем у навигационных.

Файлы хранятся в запакованом виде, распаковываются большинством архиваторов, например 7zip

Полезности

The World Coordinate Converter

Сайт основан на добровольных началах, потому при входе спрашивает о пожертвовании в свою пользу. В основном будет полезен если необходимо преобразовать координаты между различными международными системами координат, и некоторыми государственными (параметры которых открыты для публичного доступа, не про Украину), например ETRF89, WGS84, WGS84 Web Mercator и публично доступные государственные.

Геокалькулятор НДІГК

Тот самый геокалькулятор государственной службы Украины по вопросам геодезии, картографии и кадастра.

TrimbleRTX

Сервис для постобработки от Trimble, результат выдаёт в виде ETRS и ITRF различных реализаций. Необходимы длительные наблюдения для приемлемой точности. Опирается на наблюдения международных станций и некоторые свои. Бесплатно, но с регистрацией

AusPOS

Сервис для постобработки Geoscience Australia от Австралийского правительства, результат выдаёт в виде ITRF2014. Необходимы длительные наблюдения для приемлемой точности. Опирается на наблюдения международных станций. Бесплатно, без регистрации.

Планировщики GNSS съёмки

Инструменты для планирования GNSS измерений на определённый период, позволяют заранее оценить видимые спутники при заданном углу отсечки, их положение над горизонтном. Данные инструменты будут полезны при планировании оптимального времени съёмки в местах с плохим обзором небосвода (карьеры, города) и при использовании односистемных приёмников.

Навигационные спутники передают два вида данных - альманах и эфимерис .

Альманах - это набор сведений о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая загубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия, содержащих сведения. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.

Данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый навигационный спутник передает данные только своего собственного эфимериса.

Навигационные сообщения - это передаваемые спутником пакетные данные, содержащие эфемериду с метками времени и альманахом.

Сигнал, передаваемый навигационными спутниками, условно можно разделить на два основных компонента: навигационный сигнал (псевдослучайный дальномерный код) и навигационное сообщение (содержащее большое количество сведений о параметрах навигационных спутников). В свою очередь, навигационное сообщение содержит эфемеридные данные и альманах (рис. 3.24). Сразу подчеркнем, что дальномерный код также передается в составе навигационного сообщения, что станет понятным из дальнейшего изложения.

Оперативная информация

(Эфемериды)

Далыюмерный, псевдослучайный код

Неоперативная информация

(Альманах)

Рис. 3.24. Структура сигнала навигационных спутников

Можно сказать, что сигнал навигационных спутников содержит три основных составляющих:

• 1) псевдослучайный (дальномерный) код;
• 2) альманах;
• 3) эфемеридные данные.

Информацию о местоположении спутников навигационные приемники получают именно из данных, содержащихся в альманахах и эфемеридах спутников. Поясним значение термина «эфемерида» (др.-греч. ?(ргщ?р1? - на день, ежедневный). В астрономии это таблица небесных координат Солнца, Луны, планет и других астрономических объектов, вычисленных через равные промежутки времени, например, на полночь каждых суток.

Также эфемеридами называются координаты искусственных спутников Земли, используемых для навигации в системах NAVSTAR (GPS), ГЛОНАСС, Galileo и др. Эфемериды - это уточненная информация об орбите данного конкретного спутника, передающего сигнал, поскольку реальная орбита спутника может отличаться от расчетной. Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют навигационному приемнику вычислять точное местоположение спутника и на этой основе рассчитывать собственное местоположение. Данные эфемерид навигационной группировки ГЛОНАСС публикуются на сайте Российского космического агентства (Роскосмос). Состав эфемерид спутников ГЛОНАСС включает, в частности, следующие параметры орбиты спутника :

• NS - номер спутника;
• дата - базовая дата (UTC+3 ч), ЧЧ.ММ.ГГ;
• ТО. - время прохождения восходящего узла (количество секунд от 00 ч 00 мин 00 с базовой даты), с;
• Т а6 - период обращения, с;
• е - эксцентриситет;
• / - наклонение орбиты, °;
• ЬО - географическая долгота восходящего узла ГЛОНАСС, °;
• со - аргумент перигея, °;
• 5/, - поправка к бортовой шкале времени, с;
• п, - номер литерной частоты;
• АТ - скорость изменения драконического периода. Драко-ническии период - интервал времени между двумя последовательными прохождениями небесного тела через один и тот же (восходящий или нисходящий) узел орбиты.

Понятие эксцентриситета орбитального эллипса поясняет рис. 3.25:

• а
• основная полуось орбитального эллипса - Ь _
• эксцентриситет орбитального эллипса: е =

Эфемеридные данные являются составной частью альманаха. Получив от альманаха основные примерные параметры орбит всех спутников, навигатор получает от каждого из спутников его собственный эфимерис. По этим точным данным корректируются

Рис. 3.25.

параметры орбит, т.е. данные альманаха. Эфимерисы - это своего рода «надстройка» над альманахом, которая основные параметры превращает в параметры конкретные. Данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат.

В отличие от альманаха, каждый спутник передает данные только своего собственного эфимериса, и с их помощью навигационный приемник с высокой точностью может определить местоположение спутников.

Эфимерисы, несущие более точные данные, устаревают достаточно быстро. Эти данные действительны только 30 мин. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 с. Обновление эфемерид осуществляется наземными станциями. Если приемник был отключен более 30 мин, а потом включен, то он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему он выбирает спутники для инициации поиска.

Когда навигационный приемник фиксирует спутник, идет процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, данные, принятые от спутника, считаются подходящими для навигации.

Если питание приемника отключить, а потом снова включить в течение 30 мин, то он «поймает» спутники очень быстро, так как не нужно будет снова собирать данные эфимериса. Это «горячий» старт.

Если после отключения прошло более 30 мин, то будет произведен «теплый» старт, и приемник снова начнет собирать данные эфимериса.

Если приемник был перевезен (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить загрузку нового альманаха и эфимериса. Это уже будет «холодный» старт.

Обеспечение спутников эфемеридами производит наземный сегмент системы, т.е. на Земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определенный промежуток времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала.

В GPS альманах в комплексе с другими полями данных передается каждые 12,5 мин, в ГЛОНАСС - каждые 2,5 мин. В табл. 3.3 для сравнения приведены два временных параметра альманаха и эфемерисов GPS. Очевидно, что период обновления данных и сроки их актуальности для альманаха и эфимериса существенно различны.

Таблица 3.3

Периоды обновления данных орбит навигационных спутников