Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Том 1.- М., 2005.- 334 с

Рис. 4.23. Одночастотный (4600LS) и двухчастотный (5700) приемники фирмы

Trimble Navigation Ltd. (США) (http://www.trimble.com)

Постоянно повышающаяся точность аппаратуры стирает грань между навигационно-топографической аппаратурой и чисто геодезической. Последняя может быть фазовой кодо-коррелированной (обычно называется просто «фазовой» аппаратурой) и фазовой бескодовой, работающей по принципу радиоинтерферометра (типа «Макрометров»). Фазовые приемники отличаются по числу каналов, они могут быть одно- и двухчастотными, а также работающими по одной или двум СРНС. Двухчастотные фазовые приемники наиболее полно обеспечивают все разнообразие возможностей спутниковой аппаратуры и дают наиболее точные результаты на расстояниях до нескольких тысяч километров. Наличие двух частот обеспечивает точный учет влияния ионосферы.

Приемники для определения и хранения времени позволяют определять время с точностью до наносекунды за счет сравнения собственной шкалы времени, основанной на работе сравнительно дешевых кварцевых или рубидиевых генераторов, со шкалой времени спутников, определяя временную задержку по точному позиционированию и орбите спутника.

Этот тип приемников предназначен для работы в качестве временной и частотной опоры. Положение в этих приемниках является вторичной информацией и часто игнорируется пользователем. Основная польза выведенных через GPS времени и частоты – долговременная стабильность и координация с мировым временем через временной стандарт GPS. Эти приемники часто используются в таких приложениях, как:

калибровка инструментов в лабораториях тестирования; синхронизация телекоммуникационных цифровых сетей, сейсмографов

для точного определения землетрясений; контроль времени астрономических наблюдений в обсерваториях;

синхронизация записывающих устройств для регистрации ошибок в электрических сетях и др.

Поскольку эти приемники часто используются в критических условиях, время GPS приемников часто дополняется другими видами приемников, таких, как LORAN или WWV, или дополнительными высокоточными часами – цезиевыми атомными часами. Таким образом, если GPS приемник окажется неисправным, результат все же будет некоторое время гарантирован

(http://www.redsword.com/gps/apps/general/receivers.htm).

Псевдоспутники. Псевдоспутник (иногда его называют псевдолит, от английского pseudo satellite – «псевдоспутник») в его самой простой форме является генератором и передатчиком сигналов GPS и/или ГЛОНАСС (рис. 4.24). Современные псевдоспутники снабжают несколькими дополнительными возможностями, повышающими их работоспособность, такими, как различные функции передающего сигнала, сообщения в пользовательском формате и т. д. Первые предложения по использованию псевдоспутников можно найти в конце 1970-х гг. Наземные передатчики сигналов GPS использовались для того, чтобы проверить GPS оборудование пользователя на испытательном полигоне армии США в Юма, Аризона. В середине 1980-х гг. RTCM комитет SC-104, разрабатывающий стандарты для дифференциальной службы Navstar GPS, назначил тип 8-го сообщения для альманаха, содержащего местоположение, информацию о кодах и «здоровье» псевдоспутника. Кроме того, коды PRN с номерами от 33 до 36 рекомендовали сохранить именно для псевдоспутников.

Рис. 4.24. Псевдоспутник IN500 фирмы IntegriNautics (www.integrinautics.com/technology/pseudolites.html)

Псевдоспутники были предложены как дополнительные GPS передатчики сигнала, а также как линия передачи поправок в псевдодальности для DGPS. Эта разработка была популярна в то время, когда созвездие GPS состояло из 18 спутников. В последние несколько лет разработки псевдоспутников были в значительной степени связаны с применением их в навигации для точной посадки самолетов. Однако их применение оправдано в районах с недостаточным обзором неба (мониторинг сооружений в городах, работы в карьерах, туннелях, навигация внутри помещений)

(www.gmat.unsw.edu.au/snap/publications/choi_etal2000.pdf).

Имитаторы сигналов. Имитаторы сигналов спутниковых систем ГЛОНАСС/GPS представляют собой программно-аппаратный комплекс для проверки и настройки аппаратуры спутниковых навигационных систем, позволяющий проводить испытания навигационной аппаратуры, а также проверку и отладку алгоритмов работы изделий.

Имитатор обеспечивает формирование сигнала любого навигационного космического аппарата (НКА) систем ГЛОНАСС и GPS, перестройку сигнала по задержке и доплеровскому сдвигу частоты, закладку в сигнал цифровой служебной информации. Имитатор можно использовать как генератор помех для функциональной проверки навигационной аппаратуры при серийном

производстве и для отладки и совершенствования алгоритмов обработки сигналов (http://www.ire.krgtu.ru/struct/lab/niirt/new_page_1.htm).

4.5. 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.

4.5.1. 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 (703) 313 используется 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.

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 (http://www/gpsy.com/gpsinfo), [Hofmann-Wellenhof et al., 2001].

4.5.2. 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) [1996 IERS, 1997]. МСВЗ имеет Центры анализа для каждого из различных космических геодезических методов, включая РСДБ, лазерную локацию спутников (ЛЛС) и Луны (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.

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.

4.5.3. Международная GPS служба

Всесторонняя информация, включающая точные эфемериды, параметры часов спутников и другие данные, обеспечивается Информационной системой Центрального бюро (ИСЦБ) Международной GPS службы (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 организацией, 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 (рис. 4.25), Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета (рис. 4.26).

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. 4.5), причем эта точность постоянно повышается. 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. 4.25. Глобальная сеть слежения МГС

Рис. 4.26. Организация Международной GPS службы (http://igscb.jpl.nasa.gov)

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 (http://igscb.jpl.nasa.gov).

Таблица 4.5. Характеристики точности продуктов МГС

4.5.4.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.

4.5.5.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 статических и кинематических измерений (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 имеется вычислительный центр, который может быть совмещен с одной из контрольных станций. Некоторые функции АКС, такие, как архивирование и восстановление данных, могут быть централизованы в вычислительном центре. Другими задачами для вычислительного центра являются:

регулярный контроль других АКС; мониторинг целостности сети (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 являются 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.

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 CORS насчитывала более 370 станций (http://www.ngs.noaa.gov/CORS). Среднее расстояние между станциями – около 200 км. В тектонически активных районах расстояния меньше.

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 SINEX-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, то есть 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. 4.27).

Рис. 4.27. Области применения активной сети CORS в США [Prusky, 2001]

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

Основное различие между Национальной и Кооперативной CORS лежит в области расписания работы, сроков контроля координат станций и ряда 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 предусматривается обязанность участвующих организаций обрабатывать 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 еѐ GPS приѐмников по 24 часа в сутки и 7 суток в неделю. Кооперативным CORS нужно работать по 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. Система состоит из непосещаемых станций слежения, называемых Active Control Points (ACP), – активными контрольными пунктами, 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 записываются температура, давление и влажность. На начало 2004 г. работало более 40 станций (http://www.geod.nrcan.gc.ca).

Дифференциальные подсистемы. Спутниковые навигационные системы позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 5 – 15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая

точность. Один из методов повышения точности определения координат основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный режим DGPS/DGLONASS позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м – в статических условиях. Режим DGPS реализуется с помощью контрольного приѐмника, называемого опорной станцией и расположенного в пункте с известными координатами. Сравнивая известные координаты 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 своего положения. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. По экспериментальным данным, определяемый объект не должен удаляться далее

500км от опорной станции.

Внастоящее время существуют несколько широкозонных, региональных и локальных дифференциальных систем. В качестве широкозонных стоит отметить такие системы, как американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS. Эти системы для передачи поправок потребителям используют геостационарные спутники.

Региональные системы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Обычно такие системы используются 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 2 000 км. Она может иметь в своѐм 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].

4.5.6. 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 в 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