Glavy_1-7_1

- 9 -

Глава 1 Введение в спутниковые технологии

1.1. Значение спутниковых методов в современной гидрографии.

Современный научно-технический прогресс в последнее десятилетие 20 века коренным образом изменил технологию проведения гидрографических исследований. Введение в эксплуатацию спутниковых радионавигационных систем (СРНС) НАВСТАР (США) и ГЛОНАСС (Россия)

обеспечило возможность широкому кругу гражданских потребителей определять свое положение на земной поверхности, в Мировом океане и в околоземном пространстве с точностями, ранее доступными только с использованием сложнейших экспериментальных технических средств.

Этими преимуществами в первую очередь воспользовались моряки и гидрографы, для которых точное место-определение является важнейшим фактором обеспечения безопасности.

При проведении гидрографических исследований важным фактором является их экономическая эффективность. Применение спутниковых методов позволяет не только повысить точность плановой привязки в удаленных районах Мирового океана, но и проводить промерные работы в прибрежной зоне с требуемой точностью без необходимости развертывания специализированных радионавигационных и радиогеодезических систем.

Спутниковые технологии позволяют не только обеспечить высокоточное местоопределение, но и дают возможность определять пространственную ориентацию подвижного объекта путем определения мгновенного значения углов курса, крена и дифферента. Это особо важно при использовании современных средств площадной съемки рельефа морского дна: многолучевых эхолотов (МЛЭ) и батиметрических гидролокаторов (БГБО) с интерферометрической обработкой.

1.2.

СРНС предназначены для определения места наблюдателя или объекта в земном трехмерном пространстве – это современные средства обеспечения навигации подвижных объектов, в первую очередь морских и воздушных, а также геодезических и разнообразных работ по определению координат и контролю времени. Для комплекса наук, связанных с изучением природных ресурсов и охраной окружающей среды, особенно важной является интеграция спутниковых технологий местоопределения с геоинформационными системами (ГИС).

Основным достоинством СРНС является их глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами. СРНС активно применяются в следующих сферах: развитие опорных геодезических сетей, распространение единой высокоточной шкалы времени, исследования сейсмической активности и вулканизма, движений полюсов, земной поверхности и ледников, геоморфологические, биогеографические, океанологические исследования, кадастровые работы, обеспечение работ по землеустройству, сельскохозяйственное применение (определение координат сельско хозяйственной техники с целью распахивания земель и внесения удобрений по заранее заготовленным картам, выявление, местоопределение и картографирование скоплений сорняков, насекомых), экологические исследования: плановая привязка разливов нефти вследствие аварий, оценка площадей нефтяных пятен и определение направлений их движений.

Съемка и картографирование всех видов (топографическая, специальная, тематическая) эффективно выполняется с использованием СРНС. Сбор материала для ГИС - перспективное самостоятельное направление. Рядом фирм выпускается специализированная спутниковая навигационная аппаратура (СНА), специально ориентированная на сбор данных для ГИС. Такая СНА объединяет в себе

- 10 -

спутниковый приемник-вычислитель и накопитель данных. Наблюдатель, перемещаясь по местности с такой аппаратурой, автоматически фиксирует координаты объектов и (или) контуров и дополнительно вводит в накопители информацию об их свойствах. После завершения данные перегружаются в персональный компьютер, где они хранятся в цифровом виде (в виде фалов соответствующих форматов) и могут быть выведены на экран в целях визуализации для контроля съемочных работ.

линий электропередачи (ЛЭП). Данные технологии теперь широко применяются при спасательнопредупредительных работах (геодезическое обеспечение при бедствиях и катастрофах), а также в разнообразных диспетчерских службах для обеспечения работы пожарных, милиции, скорой помощи, автомобильного и железнодорожного транспорта, где благодаря выбору оптимального маршрута и постоянному контролю за движением объектов обеспечивается значительная экономия денежных средств, времени и повышается уровень безопасности.

Сфера возможного применения СРНС постоянно расширяется и постепенно охватывает индивидуальное применение в быту (отдых и туризм). Установка СРНС аппаратуры на личном автотранспорте теперь не является экзотикой. За рубежом уже сейчас наиболее престижные марки автомобилей комплектуются СНА с электронными картами, на которых видно, где находится автомашина и решается задача выбора оптимального маршрута.

Военные и разведывательные сферы являются отдельной неисчерпаемой областью применения СРНС, для которых они по сути дела изначально и создавались.

1.3. Историческая справка.

В настоящее время в эксплуатации находится второе поколение СРНС. К первому поколению можно отнести системы, разрабатывавшиеся до 70-х годов и использовавшиеся более двух десятилетий. Это системы NNSS - США, ЦИКАДА - СССР .

NNSS (Nаvу Nаvigation Satellite System) - первоначально предназначалась для ВМФ США. Позже система получила название ТRANSIT. Система ТRANSIT находилась в эксплуатации с 1964 г., а с 1967 г. была открыта для гражданского коммерческого использования.

Аналогичная СРНС ЦИКАДА (разработки начаты в 1967 году) была введена в эксплуатацию в 1979 г. Для радиоопределений по сигналам этих СРНС фундаментальное значение имела работа, выполненная под руководством академика В.А. Кательникова, по использованию эффекта Доплера, которая заложила основу принципа построения наиболее распространенных систем навигации. Однако, построенные по данному принципу низкоорби-тальные СРНС (высота орбиты порядка 1 тыс.км.) обладали существенными недостатками, связанными с большой длительностью навигационного сеанса (10-16 мин.) и большими интервалами между сеансами (до 90 мин. на экваторе).

При разработке СРНС второго поколения особое внимание было уделено обеспечению непрерывности работы и практически мгновенной выдачи определяемых параметров. Такую возможность предоставляют среднеорбитальные СРНС (высота орбиты 20 тыс.км.) сеть которых работает координированно по пространственному положению отдельных навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ) и по временному положению излучаемых ими сигналов.

Ко второму поколению СРНС относятся две системы GPS - США и ГЛОНАССРФ

- 11 -

GPS (Global Positioning System) - параллельное название NAVSTAR( Navigation Satellites for

открыла систему для гражданского применения. В январе 1996 г. СРНС ГЛОНАСС была раз-

системном времени. Все процессы в ее звеньях фиксируются в этой временной шкале. Временные шкалы всех НИСЗ сети периодически подстраиваются под шкалу системного

псевдодальностей погрешности из-за смещения временной шкалы непосредственно входят в погрешность измерений. Для того, чтобы такая погрешность не превышала 0.3 м. смещение не должно превосходить 3 нс. Учитывая, что каждый НИСЗ синхронизируется каждые 12 ч., бортовой генератор НИСЗ должен иметь стабильность 2*10-14. СНА пользователя не может использовать такие генераторы, ввиду их высокой стоимости и габаритов. Временная шкала СНА подстраивается под системное время в сеансе навигационного определения, когда оценивается (наряду с координатами) уход фазы генератора СНА относительно фазы генератора НИСЗ.

1.4. Подсистемы спутниковых систем.

Выделяют три главные подсистемы (сегменты): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия НИСЗ, спутниковая навигационная аппаратуры (СНА) пользователей.

Подсистема НКУ состоит из станций слежения за НИСЗ, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт НИСЗ. Спутники GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранная информация об орбитах обрабатывается, и прогнозируются координаты спутников (эфемериды). Эти и другие данные с наземных станций загружаются на борт каждого НИСЗ.

GPS управляют главная станция на базе ВВС Колорадо-Спрингс, штат Калифорния, и наземные станции в Колорадо-Спрингс, на острове Вознесения, острове Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн и Гавайских островах. Точное время определяют при помощи обсерватории в Вашингтоне. Расположение станций НКУ СРНС Навстар показано на рис.1.1.

- 13 -

от приемника до двух положений спутника на орбите. Поверхностями положений являлись гиперболоиды вращения.

нетрудно. В этом заключается геометрическая сущность задачи. Когда известны координаты НИСЗ, задачу легко решить аналитически и вычислить координаты пункта в пространственной геоцентрической системе координат (X,Y,Z). Прямое аналитическое решение задачи определения по трем дальностям изложено в п.5.1

На деле измеряют искаженные расстояния в каждом из которых содержится неизвестная величина- . смещение часов приемной аппаратуры (Т). Их называют псевдодальностями. Чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо их измерять не до трех, а, как увидим позже, до большего числа пунктов с известными координатами. При этом смещение часов вводится в

вычисления в качестве четвертой определяемой величины наряду с координатами X,Y,Z. Кроме того, как это принято в геодезии и гидрографии, всегда должны быть избыточно измеренные величины. Избыточные результаты повышают качество измерений, обеспечивают контроль и позволяют выполнять обработку по методу наименьших квадратов (МНК).

- 14 -

Глава 2. СИСТЕМЫ КООРДИНАТ СРНС.

2.1. Геодезические системы отсчета.

Геодезические системы отсчета (Reference System) устанавливают параметры, определяющие фигуру, размеры, гравитационное поле Земли и закрепляют гринвичскую геоцентрическую прямоугольную систему координат. Ее начало в центре масс Земли, ось Z направлена к северному полюсу, ось Х - в плоскости меридиана Гринвича, оси Х и У лежат в плоскости экватора. Важнейшими параметрами Земли являются: fМз - произведение гравитационной постоянной на массу; ω3 - угловая скорость вращения; а - экваториальный радиус; α - сжатие; c - скорость света в вакууме. Включение скорости света в число параметров обусловлено тем, что современные линейные измерения основаны на определении времени распространения электромагнитных волн - скорость света устанавливает линейный масштаб геодезических построений. В табл.2.1 и 2.2. указаны значения некоторых физических и геометрических параметров.

Общеземными (международными) системами отсчета являются IERS (International Earth Rotation Service), ее европейская подсистема ЕТRS (Еurореаn Теrrеstrial Reference System), система

GRS-80 (Geodetic Reference System 1980), параметры которой служат основой ряда других систем Европы, Австралии и Америки.

В России без интеграции с западными странами создана система Параметры Земли 1990 г. (ПЗ-90). Таблица 2.1

Поверхность и полюса Земли подвержены геодинамическим процессам. Ось вращения движется в теле Земли и перемещается относительно небесных тел. Поэтому составной частью геодезических систем отсчета являются опорные сети (Reference Frame), фиксирующие положение гринвичской пространственной прямоугольной геоцентрической системы координат. В системе IERS новейшими методами космической геодезии установлены сети ITRF (IERS Terrestrial Reference Frame), закрепляющие положение центра масс Земли с точностью до 10 см и ориентирующие полярную ось по ее условному земному полюсу (СТР - Conventional Terrestrial Pole), соответствующему среднему полюсу за 1900-1905 гг. и исправленному на нутацию. Небесные сети ICRF (IERS Celestial Reference

- 15 -

Frame) закрепляют полярную ось Земли в Солнечной системе, приводя ее к положению в начале 2000

года. GPS действует в координатной системе WGS-84 (World Geodetic System,1984).

Начальный пункт системы расположен в центре масс Земли с ориентацией общего земного эллипсоида вдоль главных осей: ось OZ направлена вдоль оси вращения земли в сторону Северного полюса, ось OX лежит на пересечение плоскостей экватора и гринвичского меридиана, ось OY дополняет систему координат до правой. Размеры земного эллипсоида указаны в таблице 2.2. В этой системе координат определяются эфемериды НИСЗ Навстар.

Согласование системы координат регулярно осуществляется тем, что по результатам наблюдений на постоянно действующих станциях мировой сети IGS (International GPS Survice for Geodynamics)

определяются эфемериды НИСЗ Навстар. В процессе многолетних наблюдений с использованием лазерной локации спутников и радиоинтерферометрии уточняются сами координаты следящих станций IGS. Эти уточнения периодически принимаются в качестве более современных и точных реализаций системы координат WGS-84. В свою очередь и текущие эфемериды спутников Навстар определяются в соответствующих реализациях WGS-84. Например, ITRF-96- это система координат WGS-84, скорректированная на данные, накопленные к 1996 году. Таким образом, , ITRF является совокупностью координат и скоростей перемещения станций глобальной спутниковой сети GPS для геодинамики. Эта координатная основа реализуется ежегодно по данным спутниковых наблюдений на более чем 150 станций с точностью до 12 см. Международная служба GPS для геодинамики (IGS) регулярно обеспечивает ITRF точными эфемеридами НИСЗ Навстар и другими необходимыми данными. Одним из основных результатов деятельности IGS является повышение точности выработки эфемерид. В настоящее время эфемериды СРНС Навстар определяются с погрешностями от 0.1 –0.2 м.

Системе координат ПЗ-90 – геоцентрическая система OXYZ, ориентированная аналогично WGS-84, предназначалась для функционирования СРНС ГЛОНАСС. Отсчетной поверхностью является эллипсоид вращения - общий земной эллипсоид, параметры которого приведены в таблице 2. С 1986 года в России функционирует специальный космический геодезический комплекс (КГК) ГЕОИК, с помощью которого осуществляются дальномерные измерения в космической геодезической сети (КГС) и альтиметрические измерения морской поверхности. На основе измерений, накопленных КГК ГЕОИК в военнотопографическом управление Генерального штаба (ВТУ ГШ) была выведена координатная система «Параметры Земли 1990». Носителями этой системы являются пункты КГС 26 пунктов, расположенных на территории бывшего СССР.

Вывод системы параметров гравитационного поля Земли (ГПЗ) был осуществлен по совокупности гравиметрических, спутниковых и астрономо-гравиметрических данных. На основе нормального и аномального гравиметрического полей была получена модель ГПЗ в системе ПЗ-90 в виде коэффициентов разложения геопотенциала по сферическим функциям до 200-й степени, а также созданы детальные каталоги высот квазигеоида над общим земным эллипсоидом, обеспечивающие среднюю квадратическую погрешность 2 м.

Помимо международных, существуют национальные системы отсчета, называемые в нашей стране референцными, Центры их эллипсоидов часто не совмещены с центром масс Земли. Они устанавливают квазигеоцентрические координаты. Например, в системе координат 1942 г. на референц-эллипсоиде Красовского (СК-42) центр эллипсоида смещен с центра масс Земли более чем на 155 м.

- 16 -

Положения точки в пространстве, определенные координатам указанных геоцентрических систем (WGS84 и ПЗ90), могут различаться до десятка метров. Различия же координат геоцентрических и квазигеоцентрических систем значительно больше и могут превысить сотню метров.

Для определения параметров связи WGS84 и ПЗ90 были выполнены специальные наблюдения ГЛОНАСС и GPS на 9 пунктах, расположенных примерно равномерно на территории России на протяжение 1-1.5 месяцев. В результате с высокой точностью были определены параметры связи, установившие разворот систем вокруг оси Z около 0.18", что приводит к сдвигам на поверхности земли на территории России от 4 до 6 м. Кроме того, имеются существенные различия масштабов между системами координат ПЗ90 и WGS84.

2.2. Элементы кеплеровой орбиты.

Положение НИСЗ в геоцентрической системе координат вычисляют по элементам кеплеровой орбиты (рис.2.1). НИСЗ, перемещаясь по орбите из южного полушария в северное, пересекает плоскость экватора в точке, называемой восходящим узлом. Двигаясь по эллиптической орбите, он проходит перигей - точку орбиты, ближайшую к центру масс Земли. Элементами орбиты являются:

А - большая полуось эллиптической орбиты; ек - эксцентриситет орбиты; Ω - долгота восходящего узла орбиты (отсчитывается в плоскости экватора от направления на точку весеннего равноденствия); ω - аргумент перицентра (угол в плоскости орбиты с вершиной в центре масс Земли и между направлениями на перигей и восходящий узел);

i - наклон плоскости орбиты к плоскости экватора. Элементы кеплеровой орбиты меняются во времени и должны быть известны на момент определения местоположения относительно НИСЗ.

О - центр масс Земли, П - перигей, ВУ - восходящий узел,

γ-направление на точку весеннего равноденствия

Рис.2.1. Элементы Кеплеровой орбиты и пространственная прямоугольная геоцентрическая система координа,

Для эллиптической орбиты алгоритм вычислений координат НИСЗ на эпоху t следующий. 1 . Вычисление средней аномалии М по формулам

где ωC - угловая скорость обращения спутника на орбите, Т - период обращения,

направлением на перигей), аргумента широты u и долготы восходящего узла относительно гринвичского меридиана I по формулам

Алгоритм и формулы упрощаются для круговых орбит, когда их эксцентриситет еK = 0. Тогда радиусвектор R = А, аргумент широты u = М =ωC *(t - tO) + МO, где МO угол, образуемый радиусом-вектором с направлением на восходящий узел орбиты в начальный момент t = tO.Таким образом, представляется возможным вычислить координаты положения спутника на любой момент времени, которые называются эфемеридами.

Эфемериды НИСЗ. В знаменитом словаре определений Вебстера, приводится следующее определение термина эфемериды: «Эфемериды – это таблица координат небесного тела, приведенная в различные периоды времени за определенный период». GPS эфемериды можно сравнить с GPS спутниками, и представить их в качестве созвездия искусственных звезд. Для того, чтобы вычислить наше местоположение относительно спутников GPS, нам нужно знать их местонахождение в пространстве, другими словами их эфемериды. Существует два типа эфемерид: переданные (бортовые) и точные.

Переданные (бортовые) эфемериды

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

Точные эфемериды (Final products)

Точные эфемериды состоят из общеземных геоцентрических координат каждого спутника, определенных в Общеземной наземной системе отчета и включают поправки часов. Эфемериды вычисляются для каждого спутника с интервалом 15 мин. Точные эфемериды – это продукт постобработки. Данные собираются станциями слежения, расположенными по всей территории

- 18 -

Земли. Далее эти данные передаются в Международную Службу GPS (IGS), где и происходит вычисление точных эфемерид. Точные эфемериды становятся доступными приблизительно через 2 недели после времени сбора данных и имеют точность менее 5 см и 0.1 нс.

Быстрые эфемериды (Rapid products)

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

0.2 нс.

Предсказанные или Ультрабыстрые эфемериды (Ultrarapid products)

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

Для чего нужны точные эфемериды.

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, давайте установим связь между точностью эфемерид и точностью решения GPS вектора. Предположим, речь идет о базовой линии длиной 10 км. Мы обрабатываем линию, используя при этом, переданные эфемериды (точность 2.60 м). В этом случае, ожидаемая точность будет равна (10 км /20000 км) * 2.60м = 1.3 мм. Если длина базовой линии будет равна 100 км, ошибка возрастет до 13 мм. Эти цифры позволяют сделать вывод о том, что на коротких базовых линиях (до 100 км) использование переданных эфемерид является более чем достаточным. Вообще, можно говорить о том, что в связи с развитием системы GPS, потребность в точных эфемеридах несколько уменьшилась. Например, еще несколько лет назад ошибка переданных эфемерид составляла 20 м, при этом ошибка измерения на 10 км базисе составила бы 1 см.

Зачем использовать точные эфемериды?

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

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

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

Какой наиболее распространённый формат точных эфемерид?

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