Скачать эфемериды gps и глонасс. Расчёт положения небесных тел и эфемеридные теории
В 1973 году данные программы объединили в одну, и военно-воздушные силы США назначили руководящими в разработке системы. Это стало началом истории построения системы NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) - глобальной системы местоопределения (Global Positioning System). С 1983 года, после того, как к ее информации получили доступ гражданские лица, а в 1991 году были сняты ограничения на продажу GPS-оборудования в страны бывшего СССР, распространение получила широко известная аббревиатура GPS.
Изначально планировалось, что система будет служить для высокоточного наведения боевых ракет, а навигационные функции системы были отодвинуты на второй план.
Первый спутник системы был запущен в 1978 году, а основная часть спутников системы были запущены на орбиты в середине 80-х годов. В 1994-м на орбиту был помещен спутник, позволивший завершить построение системы из 24 спутников.
Период нахождения спутника на орбите примерно равен 10 годам. Отработавшие свой срок спутники планомерно выводят из системы и утилизируют.
В России действует аналогичная система спутниковой навигации ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), принцип работы которой во многом подобен GPS, точность определения координат которой, однако, заметно меньше.
Спутниковые радионавигационные системы - это всепогодные системы космического базирования. Они позволяют определять текущие местоположения подвижных объектов и их скорость, а также осуществлять точную координацию времени.
В состав системы входят:
- созвездие ИСЗ (космический сегмент);
- сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
- GPS-приемники (аппаратура потребителей).
Космический сегмент (орбитальная группировка) системы GPS на данный момент содержит 24 спутника. У каждого спутника имеется порядковый номер (PRN), всего номеров зарезервировано 32. По состоянию на 27 декабря 2005 года, на орбите находилось 29 рабочих спутников, 5 из которых либо уже отработали свой срок, либо готовились к вводу в систему для замены отработавших. Период обращения одного спутника составляет 11 часов 56,9 минут. Вес каждого спутника около 835 кг, линейный размер более 5 м (с развернутыми солнечными батареями). На борту каждого спутника установлены атомные часы, обеспечивающие точность 10 9 (0,000000001) с, вычислительно-кодирующее устройство и передатчик мощностью 50 Вт. Спутники размещены на 6 орбитальных плоскостях. Высота орбит примерно равна 20 200 км, угол наклона орбит составляет 55 градусов (рис. 1).
Передающая аппаратура излучает синусоидальные сигналы на двух частотах: L1 = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц. Перед этим сигналы модулируются псевдослучайными цифровыми последовательностями (эта процедура называется фазовой манипуляцией). Причем частота L1 модулируется двумя видами кодов: C/A-кодом (код свободного доступа) и P-кодом (код санкционированного доступа), а частота L2 - только P-кодом. Кроме того, обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором содержатся данные об орбитах ИСЗ, информация о параметрах атмосферы, поправки системного времени. Частота L1 предназначена для широкого круга гражданских потребителей, а доступ к сигналам частоты L2 в основном получают военные и федеральные службы США. Точность автономного определения расстояния по P-коду примерно на порядок выше, чем по C/A-коду.
Данные параметры расположения группировки космических аппаратов выбраны не случайно. В любой момент времени в любой точке земного шара можно получить сигналы как минимум от 3-х спутников, что является необходимым условием определения координат. Для более точного определения местоположения необходим сигнал от четвертого спутника.
Наземный сегмент системы представляют контролирующе-измерительные станции для мониторинга спутников. Они расположены на Кваджалейне, на острове Вознесения, на Гавайях, Диего-Гарсия и Колорадо-Спрингс. Также в системе работают три наземные антенны (остров Вознесения, Диего-Гарсия и Кваджалейн). Управление осуществляется на центральной станции, расположенной на авиабазе в Шривере, Колорадо (Schriever Air Force Base, Colorado).
Приемные устройства - GPS-навигаторы - работают в комплексе со спутниками. GPS-навигатор получает со спутников следующую информацию: «псевдослучайный код» (PRN - pseudo-random code), «эфемериды» (ephimeris) и «альманах» (almanach). По наличию этих данных в GPS-навигаторах определяют вид старта или, по-другому, инициализации (под стартом подразумевается начало процесса получения данных хотя бы с 3 спутников, что достаточно для 2D-навигации). Каждый спутник передает только собственную эфемериду, в то время как альманах передается каждым спутником обо всех спутниках сразу. Стартовать приемник может в разных режимах. «Холодный старт» происходит в том случае, когда информация об альманахе и эфемеридах сильно устарела. Данные могут утеряться в случае переноса GPS-приемника на большое расстояние, или же если часы приемника сбились. Как правило, «холодный старт» занимает от нескольких до 45 минут. «Теплый старт» - альманах сохранился, но эфемериды уже потеряны и часы приемника еще «знают» точное время. Такой старт занимает меньше времени, от 30 секунд до 10–15 минут, в зависимости от условий приема. В этом случае GPS-приемнику необходимо получить данные только эфемерид. И, наконец, самый быстрый старт - «горячий». Занимает от нескольких секунд до 5 минут. «Горячий старт» может быть осуществлен, когда в навигаторе имеется и альманах, и эфемериды.
Таким образом, большей частью время между включением и началом выдачи координат зависит от того, как давно было выключено устройство, а также от чувствительности прибора; модель приемника влияет на скорость захвата спутников в меньшей степени.
Функционирование аппаратуры потребителя можно понять из обобщенной схемы (рис. 2).
Основное сообщение, передаваемое с каждого навигационного спутника GPS, формируется в виде кадра. Поток навигационных данных передается со скоростью 50 бит/с. Длительность информационного символа «0» или «1» равна 20 мс. Кадр состоит из пяти под-кадров, причем четвертый и пятый подкадры разделены на 25 страниц каждый. Подкадры с первого по третий, а также каждая страница четвертого и пятого подкадров содержат по 300 символов, которые разделены на 10 слов по 30 символов в слове.
В таблице 1 показана информация, передаваемая с навигационного спутника.
Таблица 1.
Таблица 2.
Нулевой отсчет времени GPS определен в полночь с 5 на 6 января 1980 года. Неделя является самой большой единицей измерения времени в системе GPS. Неделя определена как 604 800 с.
Эфемериды представляют собой уточненные параметры движения спутников. Основываясь на данных альманаха, GPS-приемник «сканирует» небо и при получении данных от спутника уточняет его эфемериды.
Рис. 3.
Чтобы понять, как GPS-навигатор определяет координаты, необходимо иметь представление о системе координат, в которой происходит движение спутников и определение координат конечных потребителей.
Наблюдатель на Земле может представить небесную сферу, спроецированную на плоскость так, чтобы центр совпадал с местоположением наблюдателя.
Именно в этой проекции пользователю GPS-навигатором показывается примерное расположение спутников (рис. 3).
Как видно из рисунка (снимок с экрана GPS-навигатора), спутников в пределах видимости находится девять (снимок производился при включенном режиме симуляции, то есть когда навигатор не ловит сигналы со спутников, а моделирует возможные ситуации). В реальности спутников на проекции сферы видно не более восьми, а сигналы принимаются максимум с четырех-шести. Закрашенный столбик над номером спутника показывает на устойчивый прием сигналов, а высота столбца позволяет оценить качество приема. В момент, когда GPS-навигатор начинает получать информацию со спутника, над его номером появляется незакрашенный прямоугольник. Закрашивается он при уточнении параметров орбиты спутника и начале получения данных, на основе которых идет непосредственный расчет координат пользователя.
Данные спутниковых систем и параметры орбит спутников рассчитываются относительно центра масс Земли. В бытовых GPS-навигаторах используется единая система координат, наиболее популярная в системах гражданской авиации, WGS-84.
Глобальная система координат WGS–84 определена следующим образом.
Начало координат 0 расположено в центре массы Земли;
- ось 0Х - пересечение плоскости исходного меридиана WGS–84 и плоскости экватора;
- ось 0Z - направлена на Северный полюс Земли;
- ось 0У - дополняет систему до правой системы координат.
Исходный меридиан WGS–84 совпадает с нулевым меридианом, определенным Международным бюро времени (BIN).
При наличии сигнала от одного спутника (№1), известной скорости распространения электромагнитного сигнала в пространстве (300 000 км/с) и времени, за которое сигнал дошел от спутника до GPS-приемника, стало возможным рассчитать геометрическое место точек нахождения приемника сигнала (им будет являться сфера с радиусом, равным расстоянию от спутника до приемника, в центре которой находится спутник).
Если GPS-навигатор начал принимать сигналы от второго спутника, то аналогично первому случаю, строится сфера вокруг спутника №2. Так как GPS-приемник должен находиться на обеих сферах сразу, то теперь строим пересечение двух сфер. Каждая точка получившейся окружности может являться местом нахождения приемника в пространстве.
Наконец, когда приемник поймает сигнал от спутника №3, строится еще одна сфера, при пересечении с окружностью она дает нам две точки. Одна из этих точек, как правило, имеет довольно неправдоподобное расположение, и в процессе вычисления по алгоритму она отбрасывается. Таким образом, мы получаем результат: широту и долготу.
Но если учитывать огромную скорость распространения электромагнитной волны, ошибка в расчетах на тысячные доли секунды может привести к довольно серьезным погрешностям в вычислении расстояния до спутника, а затем и в построении сфер и определении координат. Таким образом, мы подобрались к одному важному нюансу - для корректного определения координат необходим четвертый спутник.
После построения трех сфер приемник начинает манипулировать с временной задержкой. При каждом новом сдвиге времени приемника строятся новые сферы, точка пересечения их «расплывается» в треугольник. То есть сферы перестают пересекаться, а местоположение GPS-приемника может с определенной вероятностью быть в любой из точек треугольной области. Затем временные сдвиги продолжаются до тех пор, пока все три сферы снова не пересекутся в одной точке. Получаем довольно точные координаты. И чем больше спутников «видит» навигатор, тем точнее мы можем скорректировать время с вытекающим из этого увеличением точности позиционирования. При наличии четвертого спутника начинает работать так называемая 3D-навигация, и мы имеем возможность определить высоту над уровнем моря, скорость передвижения по поверхности и скорость вертикального перемещения.
Немного о точности. При создании системы в нее специально внесли так называемый режим S/A (Selective Availability - ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Принцип действия данного режима заключается в искусственном рассогласовании часов спутника и приемника. Поэтому даже при хорошем приеме сигналов нескольких спутников точность не превышала 100 метров. Однако в 2000 году данный режим был отменен, и официально система GPS стала давать возможность определять координаты более точно. Как правило, указывают точность в 20…30 метров. Если использовать специальные алгоритмы пост-обработки, точность можно повысить вплоть до нескольких миллиметров, но это умеют делать геодезические системы. Для работы с такими системами нужен сертификат и разрешение, а их стоимость превышает стоимость бытовых навигаторов в десятки раз.
На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.
- Неточное определение времени. Вносит погрешность порядка 1 метра.
- Погрешности вычисления орбит спутников (уточнения эфемерид). Вносят погрешность порядка 1 метра.
- Ионосферные задержки сигнала. Вносят погрешность до 10 метров.
- Многолучевое отражение от высоких зданий, других объектов. Вносит погрешность до 2 метров.
- Геометрическое расположение спутников.
- Тропосферные задержки сигнала.
Литература
- Лекции доктора технических наук Валерия Викторовича Конина. http://www.kvantn.com.ua/resourse/All/lections/lect_cont.html /ссылка утрачена/
- Информация с сайта http://www.datalogger.ru/gps/ /ссылка утрачена/
- Информация с сайта http://www.ixbt.com/mobile/gps.html
- Информация на форуме сайта http://www.gpsinfo.ru/ /ссылка утрачена/
- Информация с сайта
Поэтому, оговорюсь сразу: статья будет интересна тем, кого не устраивает роль рядового пользователя «черной коробочки с экраном». Тем, кто стремится изучить все пункты технической характеристики устройства перед его приобретением. Тем, кто получает удовольствие от понимания процессов, происходящих в разнообразных устройствах.
Такие люди не отвечают «не знаю» на вопросы типа: «Какой на твоем компьютере установлен процессор?». Вопрос-то, по сути, элементарный, но вы будете удивлены тем, какой процент друзей-товарищей ответ на него знает. Попробуйте!
Немного о терминах
В каждой сфере науки и техники полным-полно терминов. Термины эти звучат для непосвященных загадочно, но становятся, в целом, понятными при более пристальном рассмотрении.В теории космической навигации также есть множество терминов. И неудивительно: эта сфера знаний связана и с движением спутников в околоземном пространстве, и с приемом-обработкой-передачей сигналов, и с их кодированием.
Терминами, которые небесполезно будет рассмотреть, являются понятия альманах и эфемериды. Почему именно эти понятия нам интересны? Да потому, что на знании этих понятий основывается понимание «холодного» и «горячего» старта навигатора.
Альманах в современной навигации и не только
Еще до начала эры космической навигации понятие альманах уже существовало. Альманахом называли справочник, который содержит основные астрономические данные – положения небесных тел и их привязку к календарю. Одним из самых старых альманахов является китайская книга Тун Син.В наши дни назначение альманахов не изменилось. Изменилось только количество данных, которые в них содержатся, и их точность. Альманах в космической навигации – совокупность данных об основных параметрах орбит спутников в навигационной системе. Форма представления этих данных для нас, собственно, не так и важна.
Альманах содержит шесть параметров орбиты спутника на определенный момент времени. Причем каждый спутник системы имеет данные о других спутниках. Навигатор, установив связь всего с одним спутником, после получения альманаха имеет данные о параметрах орбит и других. Альманах, загруженный в память спутника, действителен 30 дней. Тем не менее уточняются эти данные чаще – раз в несколько суток, во время сеанса связи с одной из наземных станций.
Эфемериды
Кроме основных параметров орбит, навигатор получает от каждого из спутников их эфемериды, это данные, по которым вычисляются отклонения орбиты, коэффициенты возмущений и т.д. То есть с их помощью навигатор с высокой точностью может определить местоположение спутников.Эфемериды, несущие более точные данные, устаревают гораздо скорее. Их данные активны только около 30 минут. Они также обновляются наземными станциями.
Без данных о местоположении навигационных спутников невозможно определение координат приемника. Необходимо для этого целых четыре спутника. Об особенностях включения навигатора и о «холодном», «теплом» и «горячем» старте, поговорим в следующей статье.
Что такое «холодный» и «горячий» старт навигатора?
Общий алгоритм работы навигатора
Именно общий – все до мелочей знают только разработчики. Итак, после включения навигатор начинает совершать попытки установить связь с одним из навигационных спутников.Первый же спутник, с которым связь была установлена, передает навигатору альманах, в котором содержится информация про основные параметры орбит каждого спутника орбитальной группировки этой конкретной навигационной системы.
Одного спутника для определения координат мало. Для этого, например, в навигационной системе GPS их необходимо как минимум четыре. Каждый из этих четырех передает навигатору свои эфемериды – набор уточненных данных про свою орбиту.
В целом, ничего сложного, но вот так незаметно мы и подобрались к тому этапу, на котором будет раскрыта разница между двумя этими видами старта навигатора.
«Холодный» старт
Включив навигатор в первый раз или после длительного перерыва в его использовании, получения собственных координат придется ждать. Сколько? Зависит от многих факторов:- от качества приемного блока навигатора;
- от количества спутников в зоне радиовидимости;
- от состояния атмосферы;
- от уровня электромагнитного шума на основных частотах.
При так называемом «холодном» старте навигатора, в его памяти вообще отсутствуют как альманах, так и эфемериды. А может, и присутствуют, но они безнадежно устарели.
В таком случае навигатор должен пройти полный цикл получения этих данных.
Алгоритм его действий примерно таков:
- установить связь с первым из найденных спутников;
- получить альманах, сохранить;
- получить эфемериды от найденного спутника, сохранить;
- установить связь еще с тремя спутниками, получить от них эфемериды, сохранить;
Немало действий, правда? На все это необходимо время. Потому старт и называют «холодным» – навигатору нужно время на «разогрев», подготовку к работе.
«Горячий» старт
Кардинально отличается от «холодного» тем, что на момент включения в памяти навигатора уже находится актуальный альманах и актуальные эфемериды. Вспоминаем, что данные альманаха действительны 30 суток, а эфемерид – 30 минут.Значит, старт может быть «горячим» только в том случае, когда питание отключается только на весьма непродолжительное время.
Алгоритм работы навигатора значительно упростится:
- установить связь со спутниками;
- если необходимо – обновить эфемериды, сохранить;
- на основе эфемерид, зная местоположение спутников, вычислить собственные координаты.
«Теплый» старт
Кратко. Навигатор располагает актуальным альманахом, но все без исключения эфемериды устарели, значит, необходимо получить только их.Расставим все по местам
Если расставить в порядке возрастания времени, необходимого для определения навигатором приемника после включения, получится такая последовательность: «горячий», «теплый», «холодный» старты.Теперь характеристика навигатора «время холодного/горячего старта» не только не сможет смутить знающего человека, но и даст возможность продемонстрировать свои знания. А ведь все не так уж сложно!
В алгоритме работы навигатора при «холодном» и «горячем» старте упоминалось о вычислении навигатором своих координат.
Как навигатор определяет свои координаты?
Не раз упоминалось, что для определения навигатором своих координат, нужны четыре спутника. Почему именно четыре и какова общая схема этого процесса, попробуем разобраться прямо сейчас.Простыми словами о сложном
Электромагнитное излучение перемещается в пространстве с конечной скоростью – со скоростью света. Исходя из этого, можно, замерив интервал между моментом начала передачи сигнала и моментом его приема, определить расстояние между передатчиком и приемником.Навигатор, установив связь со спутниками, располагая загруженными в память альманахом и эфемеридами, принимает сигнал с меткой точного времени от каждого из спутников. По своим внутренним часам навигатор определяет время, которое потребовалось сигналу, чтоб его достичь. Зная скорость распространения сигнала и время, навигатор решает простую задачу – вычисляет расстояние, на котором он находится от спутника.
Включаем объемное мышление. Для однозначного определения положения в трехмерном пространстве относительно точек с известными координатами необходимо знать, где находятся как минимум три точки.
Зная точные координаты трех спутников в определенный момент времени (спасибо альманаху и эфемеридам) и расстояния до них, навигатор и определяет свои координаты на поверхности земного шара. Уже в привязке к двумерным координатам, принятым в картографии (долгота и широта), и к высоте над уровнем моря.
С тремя разобрались. Теперь разберемся с четвертым спутником.
Не думай о секундах свысока
А если речь идет о космической навигации и скорости света – то свысока нельзя думать даже о микросекундах. Малейшая погрешность в измерении времени прохождения сигналом расстояния от навигатора до спутника может вылиться в сотни метров, а то и в километры.Точность измерения времени – слабое место любой навигационной системы.
На каждом из спутников установлены очень точные (и дорогие и большие) атомные часы, точность хода которых – наносекунды (это 10 –9). Навигаторы оснащены намного менее точными часами – на кварцевом генераторе.
Именно для синхронизации времени в системе навигатора - три спутника и необходим четвертый. Он синхронизирует время и сводит к минимуму погрешности, которые возникают из-за неточности измерения времени. Вернее, он заставляет спутник и навигатор в одно время генерировать одинаковый код. Код этот передается в том самом сигнале, по которому замеряется расстояние. Приняв сигнал с кодом, навигатор определяет, какое время назад он сам генерировал такой код.
Такова схема в общих чертах. На деле все гораздо сложнее: цифровой сигнал подвергается кодированию, синхронизация времени, вычисление координат спутников и своего местоположения – вовсе не простые задачи. Все усложняется еще и тем, что разработчики используют различные уловки для повышения точности измерений: помехоустойчивое кодирование, поправки для нивелирования воздействия эффекта Доплера, поправки на изменение скорости прохождения радиосигнала в тропосфере и ионосфере.
Но это уже тема не краткой поясняющей статьи, а намного более серьёзной и объемной работы.
И хотел бы внести свою лепту в это дело. В одном из комментариев к вышеупомянутой статье мельком задевается разговор про эфемеридные теории, такие как DE и прочие. Однако таких теорий существует множество и мы разберём одни из самых значимых на мой взгляд.
Что это такое?
Для того чтобы точно рассчитывать положения небесных тел, нужно учитывать как можно больше возмущающих факторов. Аналитического решения для системы более двух нету (исключение - частные решения Лагранжа), поэтому уравнения движения тел решают численно, но даже с учётом относительно новых методов численного интегрирования (таких, как метод Эверхарта) процедура эта очень затратна, и если достаточно точное решение на небольшой промежуток времени под силу среднестатистическому ПК, то интегрирование на глобальных временных диапазонах - сложная и трудоёмкая задача. поэтому проблему решили следующим образом: найти положения небесных тел при помощи интегрирования и аппроксимировать эти положения какой-нибудь функцией, и на выходе получить коэффициенты для этой функции. Именно набор этих коэффициентов и называют, как правило, эфемеридной теорией.DE
Наверное это самые популярные теории движения небесных тел. Появление этой теории связано с развитием космической техники и необходимости точного рассчёта положения планет для миссий АМС. На сегоднешний день существует огромный список версий этой теории. Самая популярная из них - DE405. Об этой теории можно почитать здесь: http://ssd.jpl.nasa.gov/?planet_eph_exportКоэффициенты разделены на временные блоки, т.е. для отдельной эпохи - отдельные коэффициенты.
Формула для этих коэффициентов - полином Чебышева . К слову, именно полином Чебышева один из самых подходящих для создания эфемеридной теории. Принцип работы с такими полиномами описан в книге О. Монтебрука - «Астрономия на персональном компьютере» (Rutracker.org)
Где получить?
Всё это лежит на ftp сайта NASA. В текстовом формате ASCII:ftp://ssd.jpl.nasa.gov/pub/eph/planets/ascii/Здесь, наверное, стоит кое-что прокомментировать. Зайдя, к примеру, в эту папку , мы увидим файл примерно следующего вида: ascp1600.403, несложно понять, что это коэффициента на эпоху 1600 года, а версия теории DE403.
В таких файлах есть три столбца- каждый из них соотвествует координате в пространстве.
Однако, посмотрев на размер этих файлов, станет понятно, что использовать их в работе не удобно. Поэтому есть их бинарные версии: ftp://ssd.jpl.nasa.gov/pub/eph/planets/bsp/
Как применить?
Вот мы и получили необходимый нам бинарник, но вот вопрос: чтос ним делать? К счастью, на ftp есть примеры реализации программ на разных языках: ftp://ssd.jpl.nasa.gov/pub/eph/planets/VSOP 87
Эта теория, конечно не такая популярная, как предыдущая, однако, именно её я могу рекомендовать для начинающих. Есть главный недостаток этой теории - в ней описанны положения только планет и Солнца. Вид формулы в этой теории - тригонометрический ряд.Где получить?
Это проще простого, просто зайти на сайт и выбрать в найстройках нужный язык, формат данных.Именно в простоте получения и заключается главное приемущество этой эфемериды.
Имея готовый код, думаю многие из нас уже могут с ним что-либо сделать. Но, если всё же нужна небольшая подсказка по нему, то можете обратиться сюда
EPM
Про эту эфемеридную теорию очень мало упоминаний. Она создана в Институте Прикладной Астрономии РАН. Существуют 3 версии этой теории, соотвественно EPM 2004, EPM 2008, EPM 2011.Где получить?
Исходники находятся на ftp ИПА РАН: ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/Data/ . Название папки соотвествует версии теории. В каждой теории имеется соотвественно бинарник и текстовой файл, как это реализовано в DE. И здесь также текстовые файлы весят довольно много, поэтому стоит пользоваться бинарникамиКак применить?
Именно эта теория, похоже одна из смых сложных в реализации. Тем не мнее, её разработчики позаботились о нас и привели несколько примеров на разных языках: ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/ .Теория сама построена на полиномах Чебышева, они тоже довольно хорошо описанны .
Заметки о точности
Стоит отметить, что не все теории наиболее точны. Наименее точная из всех, выше перечисленных - VSOP87. DE и EPM довольно точны, стоит отметить, что последняя учитывает релятивиские эффекты. Однако, почти для всех прикладных задач, которые я до сих пор решал, использовалась VSOP 87, дело в том, что хоть её точность хромает, но тем не менее, это не заметно при сопоставлении с элементарными наблюдениями (может быть отклонения на десятые, сотые угловой секунды).В заключение
Немного скажу в дополнение, по поводу теории EPM. Об этой теории я узнал из личного разговора, она известна в довольно узких кругах, и ей пользуется немного пользователей, видимо это как-то связано с незаинтересованностью института в распространении этой теории в широких кругах, иного объяснения мне в голову не приходит, ибо она вполне конкурентно способна по отношении в другим теориям.ГОСТ Р 56410-2015
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Глобальная навигационная спутниковая система
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Общие требования к центрам точных эфемерид
Global navigation satellite system. Methods and technologies of geodetic works. General requirements for precise ephemeris centers
ОКС 07.040
Дата введения 2016-01-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом "Научно-технический центр современных навигационных технологий "Интернавигация" (АО "НТЦ "Интернавигация"), Федеральным государственным бюджетным учреждением высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) и Федеральным государственным бюджетным учреждением "Федеральный научно-технический центр геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных"
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 363 "Радионавигация"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 мая 2015 г. N 456-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в
ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок
- в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования
- на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на методы и технологии выполнения геодезических работ с использованием глобальных навигационных спутниковых систем и устанавливает общие требования к центрам точных эфемерид.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 22268-76 Геодезия. Термины и определения
ГОСТ Р 52928-2010 Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения
ГОСТ Р 53864-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Сети геодезические спутниковые. Термины и определения
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины, обозначения и сокращения
3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 22268 , ГОСТ Р 53864 , ГОСТ Р 52928 .
3.2 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:
ВГС - высокоточная геодезическая сеть Российской Федерации;
ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система Российской Федерации;
ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система;
СГС-1 - спутниковая геодезическая сеть 1 класса;
СКП - среднеквадратическая погрешность;
ФАГС - фундаментальная астрономо-геодезическая сеть Российской Федерации;
ЦТЭ - центр точных эфемерид;
Final эфемериды - финальные эфемериды, вычисляемые в IGS;
GPS - глобальная навигационная спутниковая система Соединенных Штатов Америки;
IERS - международная служба вращения Земли и систем координат;
IGS - международная служба ГНСС;
РРР - высокоточное местоопределение;
Rapid эфемериды - срочные эфемериды, вычисляемые в IGS;
RINEX - обменный формат файлов данных спутниковых навигационных приемников, не зависящий от типа приемника;
SP3 - стандартный формат орбитальной информации;
Ultra-Rapid эфемериды - сверхсрочные эфемериды, вычисляемые в IGS.
4 Общие положения
4.1 Точные эфемериды спутников ГНСС содержат сведения о местоположении спутника на орбите, получаемые после проведения траекторных измерений и описывающие его реальное движение.
4.2 Точные эфемериды спутников ГНСС должны обеспечивать:
- построение государственных спутниковых геодезических сетей (ФАГС, ВГС, СГС-1), а также закрепление, распространение и уточнение принятых систем координат;
- определение пространственного положения объектов в государственных системах координат с высокой точностью (несколько миллиметров СКП) при решении геодезических задач на большие расстояния (до нескольких тысяч километров);
- эффективное применение дифференциальных систем, основанных на относительных (разностных) координатных определениях, в целях точной навигации, когда допустимая погрешность навигационных определений в режиме реального времени не должна превышать 1 м или даже меньших значений;
- реализацию современных методов определения координат по наблюдениям спутников ГНСС с использованием технологии РРР, позволяющих определять местоположение в режиме реального времени с СКП от 0,1 до 0,2 м.
4.3 Обеспечение потребителя точными эфемеридами осуществляется центрами точных эфемерид.
Примерная схема типового ЦТЭ приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема центра точных эфемерид
5 Требования назначения
5.1 Центр точных эфемерид предназначен для вычисления и предоставления потребителю точных эфемерид спутников ГНСС ГЛОНАСС, включающих оперативно уточненные (сверхсрочные), уточненные (срочные) и точные (финальные) эфемериды, а также накопление и предоставление спутниковых измерений пунктов ФАГС в формате RINEX.
При определении эфемерид используются фазовые измерения, выполненные двухчастотной геодезической спутниковой аппаратурой на постоянно действующих пунктах ГНСС-наблюдений (пункты ФАГС).
5.2 Основные задачи ЦТЭ:
- оперативное получение измерительной информации по каналам электронной связи с пунктов ФАГС и международных пунктов ГЛОНАСС/GPS-наблюдений (в т.ч. пунктов IGS);
- обработка и декодирование измерительной информации с целью контроля качества поступивших измерений, выявления грубых ошибок и перевода измерительных файлов в общий формат, необходимый для последующего вычисления определяемых параметров;
- накопление результатов наблюдений в исходном или первично обработанном виде (ведение архива данных);
- анализ и математическая обработка ежесуточных файлов измерений со всех станций сети с целью вычислений орбитальных параметров спутников ГНСС и параметров вращения Земли с разрешением от нескольких часов до двух суток;
- уточнение бортовых эфемерид;
- совместная обработка полученных данных и вычисление точных эфемерид спутников ГЛОНАСС;
- оформление и выдача потребителям данных с точными эфемеридами по каналам связи;
- вычисление координат и скоростей движения пунктов ФАГС и IGS с разрешением (1-3) мес;
- информационное взаимодействие с международными центрами анализа, входящими в состав IGS, IERS и др. для обмена данными с целью контроля и возможного кооперирования в определениях точных эфемерид ГЛОНАСС;
- осуществление научной и аналитической деятельности, включающее разработку и согласование форматов представления и методик обработки спутниковой информации.
6 Требования к аппаратно-программному обеспечению
6.1 Аппаратная часть ЦТЭ включает:
- сервер, обладающий достаточно высоким быстродействием, большим объемом оперативной и дисковой памяти и средствами выхода во внешние сети через Интернет;
- автоматизированные рабочие места обработки данных на базе персональных компьютеров, объединенные локальной вычислительной сетью;
- средства архивации и долговременного хранения данных;
- средства отображения выходных данных и подготовки возможных бюллетеней для потребителей;
- аппаратура резервирования, обеспечивающая бесперебойную работу ЦТЭ.
6.2 Программно-математическое обеспечение ЦТЭ включает следующие компоненты:
- программы управления локальной вычислительной сетью, которая обеспечивает согласованную работу всех средств ЦТЭ;
- набор программ управления аппаратурой обмена данными по внешним каналам;
- программы обслуживания базы данных;
- программы обработки результатов наблюдений и вычисления эфемерид спутников;
- программные средства для математической обработки результатов наблюдений и вычислений параметров вращения Земли;
- программы подготовки выходных данных для потребителей;
- программы, обеспечивающие функционирование сайта ЦТЭ.
7 Требования к выходным данным
7.1 В состав выходных данных ЦТЭ входят эфемериды спутников ГНСС следующих видов:
- оперативно уточненные (аналог Ultra-Rapid эфемерид);
- уточненные (аналог Rapid эфемерид);
- точные (аналог Final эфемерид).
7.2 Эфемериды, выдаваемые ЦТЭ, вычисляются по измерениям, выполненным на постоянно действующих пунктах ГНСС-наблюдений мировой сети и пунктах ФАГС. Распределение пунктов наблюдений по земному шару, по возможности, должно быть равномерным. Постоянно действующие пункты наблюдений (пункты ФАГС) должны иметь точные координаты в геоцентрической системе координат, величина средней квадратической погрешности взаимного положения пунктов составляет порядка (0,01-0,03) м.
7.3 Задержка по времени выдачи составляет:
- для оперативно уточненных (сверхсрочных) эфемерид - от 3 до 9 ч;
- для уточненных (срочных) эфемерид - от 17 до 41 ч;
- для точных (финальных) эфемерид - от 12 до 18 сут.
7.4 Точные эфемериды должны обеспечивать определение координат спутников ГНСС с точностью порядка (0,05-0,10) м.
7.5 Результаты вычисления эфемерид представляются в виде файлов в формате SP3 , принятом в международных и национальных центрах спутниковых данных.
7.6 Файлы измерений пунктов ФАГС, хранятся в базе данных и предоставляются потребителю в одной из версий формата RINEX , .
7.7 Вычисленные эфемериды размещаются на сайте ЦТЭ, а также предоставляются потребителю по Интернет-адресу или по запросам.
Библиография
Стандартный расширенный формат орбитальной информации SP3-с (версия 3) |
|
RINEX: Аппаратнонезависимый формат обмена данными (версия 2.11) |
|
RINEX: Аппаратнонезависимый формат обмена данными (версия 3.02) |
УДК 629.783::006.354 | |
Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система, центр точных эфемерид, общие требования, постоянно действующий пункт, спутниковая геодезическая сеть |
|
Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2015
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
