Предмет и задачи космической навигации (стр. 14 )

Международная GPS служба (МГС, первоначальное название Международная служба GPS для геодинамики) является международной научной службой, которая официально начала действовать с 1 января 1994 г. после нескольких лет исследований и опытно-поисковых работ. МГС собирает, архивирует и распределяет данные наблюдений ГЛОНАСС/GPS-приемниками и использует их для расчета высокоточных эфемерид спутников СРНС, параметров вращения Земли (совместно с МСВЗ), координат и скоростей станций слежения МГС в системах ITRF. МГС также сообщает данные о часах станций слежения и спутников СРНС, а также информацию об ионосфере и тропософере. МГС состоит из сети станций наблюдений, Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета (рис. 5.28) [Одуан и Гино 2002].

Рис. 5.28. Организация Международной GPS службы [http://igscb.jpl.nasa.gov].

Точность продуктов МГС достаточна для поддержки текущих научных целей, включая реализацию систем координат ITRF, мониторинг вращения Земли и деформации ее твердой и жидкой компонент (табл. 5.8), причем эта точность постоянно повышается.

Таблица 5.8. Характеристики точности продуктов МГС

Вид информации	Быстрые (прогноз)	Быстрые (обработан-ные)	Срочные данные	Окончатель-ные данные
Задержка в получении данных	Реальное время	3 часа	17 часов	13 суток
Эфемериды спутников GPS (см)	10	5	<5	<5
Поправки часов спутников GPS (нс)	5	0.2	0.1	<0.1
Координаты полюса (0.001²)	0.3	0.1	<0.1	0.05
Продолжительность суток (мкс/сут.)	0.06	0.03	0.03	<0.02
Координаты станций (в плане/по высоте, мм)	-	-	-	3/6
Скорости движения станций (в плане/по высоте, мм/год)	-	-	-	2/3
Тропосферная зенитная задержка (мм)	-	6	-	4

Для сравнения отметим, что точность бортовых эфемерид спутников GPS составляет 2 м, а точность поправки часов – 7 нс. Погрешности точных орбит спутников ГЛОНАСС равны 0.3 м.

Рис. 5.29. Глобальная сеть слежения МГС.

Наблюдения на станциях МГС выполняются двухчастотными фазовыми приемниками с регистрацией P(Y)-кодовых псевдодальностей с интервалом 30 с. Сжатые и заархивированные результаты измерений хранятся в RINEX-формате (см. раздел 11.9).

Действующие в настоящее время станции показаны на рис. 5.29 [http://igscb.jpl.nasa.gov].

5.4.4 Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS)

Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS) поддерживает архивирование данных и деятельность по их распределению для сообщества космической геодезии и геодинамики. Главными целями системы являются хранение связанных с космической геодезией и геодинамикой продуктов данных в центральном банке данных, чтобы поддерживать информацию об архиве этих данных и распространять эти данные и информацию на постоянной основе исследователям NASA и сотрудничающих институтов. Управление (штаб) CDDIS и компьютерные средства размещаются в NASA GSFC в Гринбелте (шт. Мэриленд) и частично в Лаборатории физики Земли при Управлении наук о Земле.

Система CDDIS была изначально разработана для обеспечения центрального банка данных для Проекта NASA по динамике земной коры (CDP). Система продолжает поддерживать сообщество космической геодезии и геодинамики через Программу космической геодезии NASA, а также через Предприятие по земным наукам NASA. Система CDDIS была установлена в 1982 г. как специализированный банк данных для архивирования и распространения данных по космической геодезии. В настоящее время CDDIS архивирует и распространяет данные по GPS, лазерной локации спутников и Луны, РСДБ и по системе DORIS для расширяющегося пользовательского сообщества геофизиков.

Система CDDIS работает на специальном компьютере, расположенном в Годдардовском центре космических полетов (GSFC) в Гринбелте. Все исследователи из NASA, штаб, и сотрудничающие институты имеют доступ к компьютерным средствам CDDIS через Интернет.

Система CDDIS с 1992 г. служит как глобальный центр данных для Международной GPS службы (МГС, IGS). Система поддерживает Международную службу лазерной дальнометрии, Международную службу РСДБ для геодезии и астрометрии (IVS), пилотный эксперимент по системе DORIS, предшественник Международной службы DORIS (IDS) и Международную службу вращения Земли (IERS) в качестве глобального центра данных.

5.4.5 Активные контрольные станции, сети и дифференциальные подсистемы

Назначение контрольных активных станций – обеспечение необработанными фазовыми и кодовыми данными для их применения в построении геодезических сетей, геодинамике, поддержке систем отсчета, приложениях для съемки и кинематики с (постобработкой), данными для съемок в реальном времени или поправками для навигации с DGPS или их комбинаций.

Активной сетью называют сеть непрерывно действующих станций GPS-наблюдений, данные которых общедоступны по линиям связи. Такие сети работают на территории США и Канады, в некоторых странах Западной Европы. Отдельные станции начинают действовать в России.

Активные контрольные станции (АКС) могут действовать как отдельные станции или как часть сети. В сети обычно есть объявленный вычислительный центр, который может быть совмещен с одной из контрольных станций. Некоторые функции АКС, такие как архивирование данных и функции восстановления могут быть централизованы в вычислительном центре. Другими задачами для вычислительного центра являются:

- регулярный контроль других АКС,

- мониторинг целостности сети, который более мощный, чем мониторинг целостности на АКС,

- дополнительная обработка, дающая в результате дополнительные продукты (например, параметры атмосферы),

- действие операционной системы.

Главное преимущество сети АКС заключается в избыточности, улучшенной доступности и надежности АКС, а также в доступности центральной точки для пользователя. Недостатком сетевого подхода является дополнительные линии связи между вычислительным центром и опорными станциями.

Примеры систем АКС можно найти на каждом континенте Земли, начиная с элементарных станций DGPS локальных или широкозонных систем, использующих для передачи поправок национальные радиотрансляционные сети или стационарные спутники, государственные геодезические сети – для съемок и кинематических применений, региональные сети из сотен приемников – для мониторинга землетрясений, как это сделано в Японии и Калифорнии, и вплоть до мировой сети МГС и ее подсетей.

Активная сеть США называется CORS (Continuously Operated Reference Stations –Непрерывно действующие опорные станции). Станции CORS работают под эгидой трех ведомств: Национальной геодезической службы (НГС, NGS), Береговой охраны (USCG) и Инженерного армейского корпуса (USACE). Техническая политика осуществляется под руководством НГС. Началом работы CORS считают февраль 1994 г., когда начала наблюдения одна станция с приемником фирмы Trimble Navigation. К началу 2003 г. сеть CIORS насчитывала более 370 станций (http://www. ngs. noaa. gov/CORS). Среднее расстояние между станциями около 200 км. В тектонически активных районах расстояния меньше. Подобные сети меньших размеров создаются и в других странах, в том числе России.

НГС собирает и распределяет данные наблюдений GPS национальной сети постоянно действующих приемников, обеспечивает данными о GPS-приемниках и их антеннах, преобразует все данные в RINEX-формат, обеспечивает по возможности метеоданными, также в RINEX-формате. Из-за того, что станции CORS отвечают строгим стандартам в отношении оборудования и методики наблюдений, получаемые данные позволяют определять координаты пунктов в любом месте США на сантиметровом уровне. Сеть CORS объявлена как безошибочная, т. е. любой новый пункт, определяемый относительно CORS, будет иметь ошибку, связанную только с относительными измерениями между CORS и новым пунктом.

Результаты измерений доступны через Интернет в течение 31 дня, после чего они архивируются, однако, при необходимости они также доступны, но за плату.

Для использования данных CORS необходимо несколько утилит. Наблюдения станций CORS хранятся в виде часовых и суточных файлов с интервалами между эпохами в 5 или 30 с. Если данные пользователя превышают по времени соответствующий часовой файл, то к нему необходимо подсоединить другие часовые файлы. Если у пользователя интервал между эпохами был, например 15 с, то либо в данных CORS, либо в данных пользователя необходимо удалять лишние измерения, в зависимости от того, с каким интервалом между эпохами оказался файл данных CORS.

В каталоге STATION_LOG имеются идентификаторы станций активной сети, информация об антеннах на каждой точке. Каталог COORD содержит данные о прямоугольных и геодезических координатах, а также об ортометрических высотах станций CORS в системах ITRF и NAD-83. Координаты в системе NAD-83 уравнены с ближайшими пунктами высокоточной спутниковой сети HARN. Результаты наблюдений хранятся в каталоге RINEX. Параллельно с данными наблюдений доступны также точные эфемериды.

При наличии активной сети сбор данных на пунктах может выполнять наблюдатель с одним приемником. Выполнив полевые измерения на своих пунктах, он после возвращения в свой офис по сети Интернет пересылает на свой компьютер данные измерений от ближайших станций CORS, файлы метеоданных, ионосферы, точных эфемерид, координаты опорных станций CORS и может выполнять всю обработку (даже одночастотного приемника) с контролем [http://www. ngs. noaa. gov/CORS/cors-data. html]. Активные сети успешно используются во многих областях деятельности (рис.5.30).

В дополнение к Системе Национальной сети CORS в конце 1990-х появилась сеть Кооперативных CORS, образованная неправительственными организациями.

Рис. 5.30. Области применения активной сети CORS в США [Prusky 2001].

Основное различие между Национальной и Кооперативной CORS лежит в области расписания работы, сроков контроля координат станций и ряд других положений. В настоящее время НГС ежедневно собирает данные с каждого пункта Национальной сети CORS и выполняет контроль их качества. Данные преобразуются в формат RINEX и выставляются в Интернете минимум на два года. Данные также архивируются для постоянного хранения. В программе Кооперативной CORS обязанность участвующих организаций обработать свои собственные данные хотя бы на семь суток. Поскольку НГС не будет представлять координаты для каждого пункта, то пользователи вынуждены использовать связи страницы НГС в Интернете напрямую с сайтами, где можно получать данные наблюдений и координаты.

Другим отличием являются операции по времени работы: программа Национальных CORS требует непрерывных операций её GPS приёмников по 24 часа в сутки и 7 суток в неделю. Кооперативным CORS нужно работать на 8 часов в сутки и 5 суток в неделю [Prusky 2001].

Канадская активная сеть называется CACS (Canadian active control system – Канадская активная контрольная система). Система работает под совместным управлением Дивизиона геодезической службы Канады и Геологической службы Канады управляет Канадской активной контрольной системой (CACS). Система состоит из непосещаемых станций слежения, называемых Active Control Points (ACP) – активными контрольными точками, которые непрерывно записывают измерения фазы и псевдодальностей для всех спутников GPS в пределах зоны видимости станции. Каждая станция ACP оборудована высокоточным двухчастотным приемником и атомным стандартом частоты. На всех станциях также записывается температура, давление и влажность. Собранные данные находятся посуточно на центральных средствах обработки. На начало 2004 г. работало более 40 станций.

Система CACS обеспечивает эффективный доступ к современным пространственным опорным системам (NAD83CSRS, ITRF, и др.) и улучшает эффективность и точность применения GPS. Это сопровождается мониторингом целостности и исполнения из анализа данных, накопленных при непрерывном слежении, и вычислением точных эфемерид и точных поправок часов спутников, поддержкой широкозонных DGPS и других применений (геодинамика, передача точного времени и др.). Доступность точных эфемерид, поправок часов спутников и данных наблюдений на ACP приносят значительную пользу канадским геодезистам. Активная сеть дает возможность производить определение координат в любом месте Канады с точностью от сантиметра до нескольких метров относительно национальной опорной системы без явного посещения существующих контрольных знаков или базовых станций. [http://www. geod. nrcan. gc. ca].

Дифференциальные подсистемы. Спутниковые навигационные системы позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 10–15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая точность. Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м — в статических условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приёмника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приёмник. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате. Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приёмнику) причинами. По экспериментальным данным, опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта.

В настоящее время существуют множество широкозонных, региональных и локальных дифференциальных систем. В качестве широкозонных стоит отметить такие системы, как американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS. Эти системы используют геостационарные спутники для передачи поправок всем потребителям, находящимся в зоне их действия.

Региональные системы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Обычно региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях и судоходных реках, в портах и по берегу морей и океанов. Диаметр рабочей зоны региональной системы обычно составляет от 500 до 2000 км. Она может иметь в своём составе одну или несколько опорных станций.

Локальные системы имеют максимальный радиус действия от 50 до 220 км. Они включают обычно одну базовую станцию. Локальные системы обычно разделяют по способу их применения: морские, авиационные и геодезические локальные дифференциальные станции [Teunissen et al. 1998].

5.4.7 Связь СРНС с пользователями

Спутниковые радионавигационные системы GPS и ГЛОНАСС задумывались в первую очередь как военные системы, но используются они как системы двойного назначения, причем применение их в гражданских целях ведется значительно более интенсивно, чем для военных. Поэтому гражданские пользователи, являющиеся к тому же налогоплательщиками, на чьи деньги созданы СРНС, вправе оказывать определенное влияние на политику использования и разработки спутниковых систем. В США такие функции выполняет Гражданский комитет по взаимосвязи со службами GPS (Civil GPS Service Interface Committee, CGSIC).

Комитет CGSIC признается как общественный орган по взаимодействию между пользователями GPS и органами власти США. В его цели входит установление и выявление нужд гражданских пользователей GPS. Комитет разбит на три подкомитета: Международный подкомитет, Подкомитет по определению времени и Подкомитет по США и окрестным территориям. CGSIC – имеет четыре основные цели:

- обеспечить обмен технической информацией и сбор информации по нуждам гражданского сообщества пользователей GPS;

- выявлять требования к информации и методам распространения этой информации среди сообщества гражданских пользователей GPS.

- проводить изучение GPS информации по нуждам гражданских пользователей по запросам Министерства транспорта или комитета CGSIC.

- выявлять какие-либо выходы GPS технологий, которые могут решать какие-либо проблемы, и представлять их в соответствующие органы власти на рассмотрение.

Один из вопросов, которые решает CGSIC, связан с формированием созвездия GPS. Спутники работают на орбитах с превышением их срок жизни, ряд спутников находятся на службе уже более 10 лет. Для налогоплательщиков это хорошая новость. Однако для пользователей GPS это означает, что нет необходимости для замены этих спутников новыми, которые принесут на орбиту новые технологии. Считается, что GPS – достаточно старая система, с технологиями 1970-х годов. Есть планы для модернизации GPS, которые принесут пользователям значительную пользу. Некоторые из них будут реализованы уже в первое десятилетие 21 века.

Другие важные проблемы – это построение национальной дифференциальной системы GPS (NDGPS), использование наблюдений GPS в прогнозах погоды, работа службы пользовательской обработки on line (On-line Positioning User Service, OPUS [Mader et al. 2003]), и др.

Комитет CGSIC встречается дважды в год, один раз в округе Вашингтон и один раз на конференции Института навигации (ION) по GPS, которая происходит в разных городах [Martin 2003].

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «КОСМИЧЕСКАЯ ГЕОДЕЗИЯ И ГЕОДИНАМИКА» ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 300500

2. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ И ВРЕМЕНИ В КОСМИЧЕСКОЙ ГЕОДЕЗИИ

2.1. КЛАССИФИКАЦИЯ СИСТЕМ КООРДИНАТ

В космической геодезии используется большое количество систем координат, что объясняется разнообразием решаемых задач. Для описания движений небесных тел и расчета их положений необходимо использовать инерциальные системы. Их оси не изменяют своего направления относительно сверх далеких внегалактических объектов. Свободная материальная точка в такой системе движется равномерно и прямолинейно. Эти системы наиболее подходят для изучения движения искусственных спутников Земли (ИСЗ). Однако в такой системе положение наблюдателя и потенциал земного тяготения были бы функциями времени. Поэтому для их описания применяют системы координат, жестко связанные с Землей. Системы, вращающиеся вместе с Землей, называют земными, в то время как инерциальные системы, не участвующие в суточном вращении, обычно называют небесными или звездными.

Системы, начало которых совпадает с центром масс Земли, называют геоцентрическими. Земные геоцентрические системы называют также общеземными или глобальными, мировыми референцными (опорными), или условными земными системами (условными - в смысле принятыми по соглашению). Общеземные системы образуются с помощью методов космической геодезии по наблюдениям на радиоинтерферометрах со сверхдлинными базами (РСДБ), лазерной локации спутников и Луны, по спутникам GPS и ГЛОНАСС.

Наряду с геоцентрическими системами используются также квазигеоцентрические, или локальные референцные системы. Их начало находится в центре некоторого референц-эллипсоида, наилучшим образом подходящего к территории страны или материка. Локальные референцные системы образуются с помощью градусных измерений классической геодезии (триангуляция, трилатерация, полигонометрия, астрономические определения). Несовпадение центров локальных референц-эллипсоидов с геоцентром может составлять несколько сотен метров.

Направления на спутник во время наблюдений получают либо относительно точек горизонта, либо относительно звезд в различных топоцентрических системах с началом в точке наблюдений.

За основную координатную плоскость системы принимают плоскости земного или небесного экваторов, горизонта или орбиты ИСЗ, в связи с чем выделяют экваториальные, горизонтные и орбитальные системы координат.

В каждой системе положение точки может быть представлено в форме прямоугольных (декартовых) или сферических координат, а для систем, связанных с эллипсоидами, - также в форме геодезических (сфероидических, или эллипсоидальных, или криволинейных) координат.

Вследствие того, что выбранные для ориентировки систем точки могут изменять свое положение, обязательно указывается эпоха, - тот момент, к которому относятся направления осей. При построении систем координат, в которых учитываются релятивистские эффекты, вводят систему отсчета, состоящую из системы координат и системы времени.

При проведении топографо-геодезических работ и навигации часто используются плоские координаты в различных картографических проекциях. В России и странах СНГ широко распространена проекция Гаусса-Крюгера. В спутниковой аппаратуре и ее программном обеспечении пользователи часто встречаются с близкой к ней поперечной проекцией Меркатора UTM. В этих проекциях часто образуются условные системы координат, широко применяемые в прикладной геодезии и землеустройстве.

В связи с тем, что обычно координатная система реализуется в виде совокупности координат точек, относящихся к ней, на некотором уровне точности возможны различные варианты одних и тех же систем, задаваемых разными наборами точек и получаемых по разным наборам информации.

2.2. НЕБЕСНЫЕ СИСТЕМЫ КООРДИНАТ

Чтобы формулировать задачу движения спутника вокруг Земли в соответствии с законами Ньютона, необходима инерциальная (также называемая небесная или фиксированная в пространстве) координатная система, в которой можно выражать векторы силы ускорения, скорости и положения. Инерциальная референцная система по определению должна быть стационарной в пространстве или движущейся с постоянной скоростью (без ускорения).

Инерциальную координатную систему можно задать следующим образом:

- начало в центре масс Земли О (рис. 1),

- ось z направлена по мгновенной оси вращения Земли к истинному северному полюсу мира P,

- ось x – в экваториальной плоскости по направлению к истинной точке весеннего равноденствия ^ (то-есть к точке пересечения плоскости истинного экватора Земли с плоскостью орбиты Земли, наклоненной к экватору на угол e),

- ось y дополняет систему до правой.

Рис.1. Истинная небесная система координат. Ось z направлена в истинный полюс

мира Р, который практически реализуется в виде небесного эфемеридного полюса НЭП.

Строго говоря, это определение не отвечает требованиям, высказанным ранее. Центр масс Земли в такой системе движется вокруг Солнца с изменяющейся в соответствии с законами Кеплера скоростью. Однако на коротких интервалах времени эту систему координат можно считать инерциальной.

Положение объекта s в небесной системе можно задать либо сферическими координатами прямым восхождением a и склонением d, либо прямоугольными координатами x, y, z. Прямоугольные координаты являются компонентами вектора положения . Прямое восхождение a – это угол в экваториальной плоскости, измеренный против часовой стрелки от точки весеннего равноденствия до круга склонений (иногда называемого часовым кругом). Склонение объекта d – это угол объекта над экваториальной плоскостью (или под ней), измеренный в плоскости круга склонений; он положителен для положений в северной полусфере и отрицательный для южной полусферы. При задании положения спутника в этой системе вводится геоцентрическое расстояние , для звезд же его обычно полагают равным единице.

Прямоугольные и сферические координаты точки s связаны соотношениями:

, (1)

, (2)

, (3)

. (4)

Описанная система координат называется истинной небесной системой. Основной плоскостью в ней является плоскость истинного небесного экватора, в каждый момент времени совпадающая с плоскостью мгновенного экватора Земли. Истинная небесная система не является строго инерциальной (по этой причине ее иногда называют квазиинерциальной): ориентировка ее осей изменятся со временем в пространстве из-за лунно-солнечной прецессии и астрономической нутации земной оси; при этом истинный полюс Р совершает вековое и колебательное движение вокруг полюса эклиптики PЭ.

Прецессия и нутация Причина прецессии и нутации лежит в постоянно изменяющемся гравитационном притяжении Солнца и Луны (а также в малой степени от планет) точек на Земле. Это происходит вследствие орбитального движения Земли и Луны. Поскольку эти изменения в расстояниях являются периодическими, то прецессия и нутация оказываются периодическими функциями времени, что является отражением периодичности орбитальных движений Солнца и Луны; единственное исключение – прецессия от планет. Гравитационное притяжение несферической Земли Солнцем и Луной заставляет ось вращения Земли прецессировать в пространстве подобно волчку (период около 25700 лет) и при этом испытывать малые наклоны, называемые нутацией (главный период 18.6 года) (рис. 2а и 2б). Для точного вычисления прецессии и нутации очень важным является распределение земных масс. Самые важные члены прецессии и нутации зависят от сжатия Земли и несовпадения плоскостей экватора и эклиптики (и несовпадение экваториальной плоскости Луны с эклиптикой). Сферическая Земля с однородным распределением плотности не имела бы ни прецессии, ни нутации.