Конспект лекций по курсу «Космическая геодезия и геодинамика» для студентов специальности 120103 (стр. 8 )

- двух несущих волн L-диапазона.

- дальномерных кодов, которыми модулируются несущие волны.

- навигационного сообщения.

5.8 ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ДОПОЛНЕНИЕ ДЛЯ GPS И ГЛОНАСС

Обычно системы ГЛОНАСС и GPS рассматривают в виде трех подсистем – космического сегмента, сегмента управления и сегмента пользователей. Однако нельзя не говорить об еще одном наземном сегменте, который включает информационное обслуживание, международные организации и функциональное дополнение к системам, организационно с ними не связанные, но обеспечивающие получение более точных результатов измерений, чем штатными средствами.

5.8.1 Информационное обеспечение GPS и ГЛОНАСС

Для обеспечения информацией о состоянии GPS и ГЛОНАСС а также данными для гражданских пользователей было организовано несколько правительственных и частных информационных служб. Обычно информация содержит сообщения о состоянии созвездий, расписания о перерывах в работе, а также советы пользователям. Орбитальные данные сообщаются в виде альманаха, пригодного для планирования доступности спутников, а точные эфемериды можно использовать для обработки наблюдений векторов базовых линий. Обеспечивается также общая информация с перечислением статей, документов и информации о встречах, симпозиумах и т. п.

Официальным источником для гражданской информации является Navigation Information Service (NIS) – Навигационная информационная служба, ранее Информационный центр GPS. Эта служба создана Береговой охраной США (USCG), и она обеспечивает 24-часовое обслуживание через телефонную информационную службу. В США вызов по (7используется для входа в службу, продолжение 5900 служит для разговора, 5907 – для автоответчика о состоянии GPS, 5920 – для факса. Информация Навигационного центра USCG также распространяется через Интернет. В приложении А даны Интернет адреса некоторых информационных служб.

За пределами США информацию по GPS можно найти в ряде источников. Среди них Группа Австралийской геодезии и Информации о земле (AUSLIG), Канадский форум по космической геодезии (CANSPACE), Германская система информации по GPS и наблюдениям (GIBS), Российский Координационный научно-информационный центр (КНИЦ). Реальные адреса информационных служб регулярно обновляются и публикуются, например, в ежемесячном журнале GPS World. Они включают связи с изготовителями, ассоциациями, правительствами и университетами. Всесторонний обзор таких наставлений можно найти на сайте http://www/gpsy.com/gpsinfo [Hofmann-Wellenhof et al., 2001].

5.8.2 Международная служба вращения Земли и Госстандарт России

Основные задачи Международной службы вращения Земли (МСВЗ) - обеспечение мирового научного и технического сообщества параметрами ориентировки Земли (ПОЗ, Earth Orientation Parameters, EOP), а также реализация, использование и внедрение в практику идеальных международных земных (ITRS) и небесных (ICRS) систем отсчета. МСВЗ работает под эгидой Международной ассоциации геодезии (МАГ) и во взаимодействии с Международным астрономическим союзом (МАС) [IERS, 1995]. МСВЗ имеет Центры анализа для каждого из различных космических геодезических методов, включая РСДБ, ЛЛС, ЛЛЛ, Doris, Prare и GPS. Центральное бюро МСВЗ объединяет результаты, распространяет информацию о параметрах ориентировки Земли (ПОЗ), поддерживает небесную (ICRF) и земную (ITRF) системы отсчета (см. главу 3).

Системы отсчета МСВЗ, как ICRF, так и ITRF реализуются в соответствии со стандартами МСВЗ [IERS 1996]. Стандарты МСВЗ состоят из постоянных и моделей, используемых Центрами анализа. Стандарты основаны на состоянии знаний в области обработки геодезических данных и моделей вращения Земли и могут отличаться от принятых стандартов МАГ и МАС, как, например, параметры прецессии и нутации. Система отсчета ICRF реализуется через каталог компактных внегалактических радиоисточников, ITRF – через каталог координат и скоростей станций.

Информация о МСВЗ обеспечивается через Интернет из Центрального бюро МСВЗ, расположенного в Парижской обсерватории и Суб-бюро Быстрой Службы и прогнозов МСВЗ, расположенного в Морской обсерватории США в Вашингтоне.

В СССР и затем в России определение ПВЗ входит в задачи Госстандарта СССР (РФ), который выводит, прогнозирует и публикует свои значения ПВЗ, несколько отличающиеся от системы МСВЗ. Для вывода ПВЗ Госстандарт России использует радиодальномерные (фазовые) наблюдения спутников ГЛОНАСС, доплеровские наблюдения спутника Гео-ИК и данные астрооптических наблюдений обсерваторий России, Украины, Узбекистана, Болгарии, Польши, Чехии, Словакии и Югославии.

5.8.3 Международная ГНСС служба

Всесторонняя информация, включающая точные эфемериды, параметры часов спутников и другие данные, обеспечивается Информационной системой Центрального бюро (ИСЦБ) Международной GPS службы для геодинамики (МГС), находящейся при Лаборатории реактивного движения (JPL). Система ИСЦБ доступна через Интернет и предлагает данные через протокол FTP.

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. 2) [Одуан и Гино 2002].

Рис. 2. Организация Международной ГНСС 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. 1), причем эта точность постоянно повышается.

Таблица 1. 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. 3. 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].

5.8.4 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.

5.8.5 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.

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.