№4. Системы координат и времени, используемые в спутниковых измерениях. Геоцентрическая система координат.

1. Шкалы времени и стандарты частоты. Правильное измерение и хранение времени является важной функцией спутниковых навигационных систем, так как носителями координат в них являются искусственные спутники Земли, которые непрерывно движутся, то есть их координаты меняются с течением времени. Время является независимым аргументом в уравнениях движения небесных тел.

Выделим три вида шкал времени: динамические, астрономические и атомные.

Астрономические шкалы времени непосредственно связаны с вращением Земли, а секунда определяется как 1/86400 часть суток. Обозначаются UT − Всемирное время.

UT0 − всемирное время на мгновенном Гринвичском меридиане. UT1 − среднее солнечное время среднего гринвичского меридиана UT2 − среднее солнечное время среднего гринвичского меридиана

В 1955 г. была введена система атомного времени TAI, в котором секунда определяется как 9192631770 колебаний невозмущённых переходов между энергетическими уровнями цезия 133 Cs133.

Возникла необходимость связать высокостабильную атомную шкалу времени с вращением Земли, и 1 января 1985 г. шкала времени TAI была совмещена со шкалой UT1. Помимо этого была введена атомная шкала всемирного координированного времени (UTC).

Общеземная система координат.

Во всех ГНСС в качестве базовой принята геоцентрическая (общеземная) гринвичская средняя правая прямоугольная система координат. Начало отсчёта такой системы координат находится в центре масс Земли. Ось X направлена в точку пересечения начального меридиана и среднего экватора. Ось Z направлена в точку среднего северного полюса. Ось Y дополняет систему координат до правой. Отсчётной поверхностью является общеземной эллипсоид.

Рисунок 1 Геоцентрическая система координат

В ГЛОНАСС применяется система координат ПЗ-90.11, а в GPS NAVSTAR – WGS-84. Необходимость применения именно общеземных систем координат, а не референцных обусловлена тем, что в ГНСС носителями координат являются спутники, вращение которых происходит вокруг центра масс Земли. Поэтому для удобного математического описания их движения оптимальным является использование общеземных систем координат. Таким образом, эфемериды спутников всегда представлены в соответствующей системе координат, в ней же спутниковый приёмник получает навигационное решение.

№5. Кодовые и фазовые методы определения расстояний до спутника.

Навигационный спутник посылает на Землю два вида информации: навигационное сообщение и дальномерные коды.

Навигационное сообщение состоит из двух типов информации: 1. оперативная информация; 2. неоперативная информация (альманах).

При этом оперативная информация используется для передачи на приёмник бортовых эфемерид и меток времени, которые используются для определения координат приёмника. Данные альманаха используются для планирования сеансов навигации и для поиска и захвата сигнала.

Аппаратура потребителя для определения координат производит фазовые и кодовые измерения псевдодальности.

1) Кодовые наблюдения. Псевдослучайный дальномерный код представляет собой последовательность максимальной длины регистра сдвига (М-последовательность) с периодом 1 мс и скоростью передачи символов 511 кбит/с в ГЛОНАСС и 1024 кбит/с в GPS.

Спутник передаёт два вида кодов, точный и грубый. Грубый код ГЛОНАСС называется СТ - код стандартной точности; грубый код GPS - C/A-код. Точный код ГЛОНАСС называется ВТ - код высокой точности; точный код GPS - P-код.

Дальномерный код со спутника получается приёмником. Параллельно в приёмнике формируется такой же код. При корреляционной обработке приёмник делает подставку во время, сдвигая свою копию дальномерного кода до тех пор, пока она не совпадёт с кодом, пришедшим со спутника. При совпадении последовательностей на выходе коррелятора возникает максимум сигнала. Полученное именно в этот момент время является искомой задержкой сигнала.

Уравнение псевдодальности:

P - геометрическая дальность;

Δион - ионосферная задержка сигнала;

Δтроп - тропосферная задержка сигнала;

Δtпр - нестабильность хода часов приёмника;

С =

- геометрическая дальность (всё под корнем).

Псевдодальность – измеренное расстояние между спутником (на момент излучения сигнала) и приёмником (на момент приема сигнала), получаемое путем сравнения показаний часов. Основная составляющая разности между псевдодальностью и реальной дальностью обусловлена ошибкой часов приёмника.

Объединив уравнение псевдодальности и формулу для геометрической дальности, можно утверждать, что мы имеем 3 неизвестных координаты приёмника и 4-ю неизвестную - нестабильность хода часов приёмника. Поэтому для определения координат точки необходимо синхронное наблюдение 4 спутников. Поверхностью положения приёмника является сфера радиуса псевдодальности.

2) Фазовые наблюдения. Длина волны несущей очень небольшая по сравнению с длиной чипов C/A- и Р-кодов – около 19 см для L1 и 24 см для L2. Считается, что разрешение измерений составляет 1-2% от длины волны, это значит, что фаза несущей может быть измерена с миллиметровой точностью, по сравнению с точностью в несколько метров ля С/А- кодовых измерений и несколько дециметров для Р(Y)-кодовых измерений.

Основное фазовое измерение лежит в диапазоне от 0 до 360°. Его называют дробной фазой. Остальную часть расстояния λN измерить невозможно. N называется целочисленной неоднозначностью. Всё расстояние равно λN+∆λ.

Фазовые измерения являются основными для высокоточных геодезических спутниковых измерений, и для точного кинематического позиционирования. Поверхностью положения приёмника является сфера неизвестного радиуса.