Глобальные радионавигационные спутниковые системы

КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «КОСМИЧЕСКАЯ ГЕОДЕЗИЯ И ГЕОДИНАМИКА» ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 300500 5. ГЛОБАЛЬНЫЕ РАДИО НАВИГАЦИОННЫЕ СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ Приведем некоторые характеристики о спутниковых системах позиционирования, прошлых, действующих и планируемых. 5.1 Доплеровская система TRANSIT История TRANSIT начинается со старта космических запусков (4 октября 1957 года). Когда в СССР был запущен Первый спутник, то доплеровское смещение сигналов было использовано для определения орбиты спутника. Впоследствии метод был реализован в обратном порядке таким образом, что, если орбита была известна, то положение приемника можно было определить [Misra and Eng 2001]. Навигационные системы первого поколения, построенные на базе низкоорбитальных спутников, разрабатывались и вводились в строй в 60–70 гг. В США была разработана система навигации для ВМС под названием NNSS (Navy Navigation Satellite System), впоследствии получила наименование TRANSIT. В ее состав входили спутники типа Oscar и Nova. Рис. 1. Конфигурация доплеровской спутниковой системы позиционирования TRANSIT (пять спутников на полярных орбитах). Разработка системы TRANSIT началась в 1959 г., первый спутник был запущен в 1961 г. Система стала пригодна для военного использования с 1964 г. и была реализована для гражданского использования с 1967 г. Спутники ведут передачи на двух частотах (400 и 150 МГц), с фазовой модуляцией навигационных сообщений. Система в рабочем состоянии имеет небольшое количество спутников (4-6) на полярных орбитах с высотой около 1075 км и периодом обращения 107 минут (рис. 1.18), что подразумевает непродолжительное время прохождения в зоне видимости пункта (обычно в пределах 15 минут). Точность вычисления координат источника в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости источника. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 м, то это в свою очередь приведѐт к ошибке определения координат в 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м. Для геодезического использования этой системы были разработаны малогабаритные приемники GEOCEIVER, позволяющие определять координаты с субметровой точностью. С помощью этой системы, в частности, в СССР и затем в России в 1984–1993 гг. была создана доплеровская геодезическая сеть. Система вышла из применения в 1996 г. 5.2 Доплеровская система Цикада Разработки системы ЦИКАДА (другое название «Надежда») начались в СССР в 1963 г. В 1967 г. на орбиту был выведен первый отечественный навигационный спутник «Космос-192». СРНС «Цикада-М» - это низкоорбитальная, глобальная, доплеровская система, предназначенная для навигационного обеспечения военных морских потребителей ВМС России. С 1990 г. система открыта для использования гражданскими потребителями. Система ограниченно применяется в целях топогеодезической привязки объектов. Прекращение работы системы «Цикада-М» в 1997 г. Состав системы «Цикада-М» - 6 космических аппаратов (КА), находящихся на круговых орбитах на высоте 1000 км с углом наклонения 83°. Оборудование наземных средств контроля и управления выработало технический ресурс, а ряд элементов аппаратуры космических аппаратов снят с производства. КРНС «Цикада» аналогична системе «Цикада-М». В состав системы входят 4 КА, что позволяет при совместном применении сократить дискретность обсерваций. 5.3 Система ARGOS ARGOS - еще одна спутниковая система, которая использует Доплеровский принцип позиционирования. ARGOS коммерческий проект Французского Национального Центра Космических исследований (CNES), НАСА и Американского Национального Управления по Океанам и Атмосфере (NOAA) и была впервые запущена в 1978 г. Передатчиками управляются пользователи с различных «платформ» (буи, отслеживаемые животные, радиозонды и т.д.), а спутники действуют как приемники (один из двух - Американский метеоспутник TIROS). CNES вычисляет положение и скорость платформ, передает информацию (и счет!) пользователю. Другие такие системы для «подписчиков» включает в себя системы поиска и спасения COSPAS-SARSAT и GEOSTAR. Важное различие состоит в том, что ARGOS по существу спутниковая система слежения, тогда как многие другие системы ( включая GPS) - системы самоуправления. 5.4 Система Галилео Европейская спутниковая радионавигационная система Галилео разрабатывается по инициативе Европейского Союза и Европейского космического агентства (ЕКА). Галилео должна полностью войти в строй в 2008 г. в результате объединения усилий членов Европейского союза. В проекте предусматривается создание глобальной системы под гражданским управлением. Система должна включать глобальный (космический), региональный и локальный компоненты, а также приемники пользователей и терминалы. Космический сегмент состоит из 30 спутников, распределенных в трех орбитальных плоскостях с наклонение 56 . Рассматриваются другие варианты созвездия Галилео, в частности, с использованием нескольких геостационарных спутников. Высота полета 23616 км, период обращения 14 ч. 04 мин. В запуске планируется выводить от двух до восьми спутников, в зависимости от возможностей ракеты и потребностей группировки. В качестве средств запуска возможно использование ракет-носителей Ариан, Протон и Союз. В космический сегмент входят два Центра контроля, размещаемые в Западной Европе, станции передачи данных и станции мониторинга. Региональный и локальный сегменты представляют инфраструктуру широкозонной и локальной дифференциальных подсистем. Спутники системы Галилео будут транслировать на четырех несущих частотах, промодулированных пятью различными сигналами. Планируется более высокая тактовая частота сигналов, чем в системах GPS и ГЛОНАСС. Это обеспечит более высокую потенциальную точность измерения псевдодальностей и скорость передачи навигационной информации. Галилео будет обеспечивать метровую точность измерения расстояний. Дополнительно прогнозируется высокий уровень целостности положения. В случае аномалии сигнала или неправильного функционирования системы будет выпускаться предупреждение о возможной ошибке позиционирования. Галилео будет повышать безопасность и эффективность наземного, морского и воздушного транспорта. Применения предусматривают отслеживание парков дорожных средств, посадку самолетов в безопасных условиях и навигация средств по назначенным маршрутам. Для высокоточных применений, таких как геодезия, должны разрешаться целые неоднозначности несущих волн. Взаимодействия GPS-Galileo-ГЛОНАСС будут взаимно уменьшать вероятность неудачи этого процесса. Совместно с системами GPS и ГЛОНАСС Галилео должна образовать Глобальную навигационную спутниковую систему (ГНСС). Ее компоненты будут независимыми, но совместимыми и взаимодействующими системами, обеспечивающими для многих применений наилучшие характеристики обслуживания. 5.5 Система Бэйдоу Были опубликованы сообщения о двух событиях в области высокоточного спутникового позиционирования. Во-первых, китайская национальная система позиционирования на базе геостационарных спутников «Бэйдоу» с успешным запуском третьего из них стала способна обеспечивать пользователей данными об их положении в трех измерениях (широта, долгота, высота). Система Бэйдоу (Beidou, английский эквивалент – «Big Dipper» - Большой ковш) является спутниковым компонентом независимой китайской спутниковой системой навигации и позиционирования. Запуск спутников планируется в течение 2000-2010, одновременно ведется разработка соответствующих систем для применения системы. Конечный результат – своя индустрия для спутниковой навигации и позиционирования. Система начала разрабатываться с 1983 г., когда было предложено разработать свою систему из двух спутников на геостационарных орбитах. В 2000 г. был произведен запуск двух экспериментальных спутников. Окончательное созвездие Бэйдоу должно состоять из четырех спутников на геосинхронных орбитах, двух действующих и двух запасных. Масса спутников 2200 кг, в том числе топлива 1100 кг. Орбита близка к круговой с радиусом 35800 км (табл. 2.2). Таблица 2.2. Информация о спутниках навигационной системе Бэйдоу. Название Beidou 1A Beidou 1B Beidou 2A Дата запуска 30 октября 2000 г. 20 декабря 2000 г. 24 мая 2003 г. Долгота подспутниковой точки 140.05 E 80.39 E Наклонение (градусы) 0.1 0.0 0.3 5.6 Системы GPS, ГЛОНАСС, ГНСС Американская система GPS и российская ГЛОНАСС являются навигационными системами второго поколения. Они пришли на смену системам Transit и Цикада. Эти системы изначально были предназначены преимущественно для военных целей. Для гражданского использования предназначался один сигнал стандартной точности. Краткая информация о системах дается в таблице 2.3, подробное описание систем дается в главе 5. Таблица 2.3. Сравнение параметров систем GPS и ГЛОНАСС Характеристики систем Номинальное число спутников Ракета носитель Число спутников в запуске Космодром Число орбитальных плоскостей Наклонение орбиты Высота над поверхностью Земли Период обращения Система координат Система времени Разделение сигналов L1 Несущие частоты L2 ГЛОНАСС 24 Протон K/ДМ-2 3 (иногда 2) Байконур, Казахстан 3 64.8° 19,130 км 11:15:40 ПЗ-90 UTC (Russia) FDMA 1602.0 - 1614.94 MГц (1598.06 - 1605.38 МГц с 2005 г.) 7/9 L1 GPS 24 Delta 2-7925 1 Мыс Канаверал, США 6 55° 20,180 км 11:58:00 WGS-84 UTC(USNO) CDMA 1575.42 МГц 60/77 L1 ГНСС – глобальная навигационная спутниковая система для определения координат, скорости и времени, разрабатываемая на международной основе для гражданских целей с целью замены GPS и ГЛОНАСС. Ожидается, что она будет совместима с системами GPS и ГЛОНАСС, и, по крайней мере, на начальном этапе будет использовать их сигналы. Международная организация гражданской авиации и Международная организация по морскому судоходству приняли GPS и ГЛОНАСС как ядро международной гражданской возможности в спутниковой навигации, известной как Глобальная навигационная спутниковая система или ГНСС (GNSS). Объединенная система GPSГалилео иногда в литературе называется как GNSS-2. Польза от спутниковой навигации огромна. Например, авиационное сообщество предвидит, что это будет также значительно, как появление реактивного двигателя. 5.7. Краткие сведения о Спутниковых радионавигационных системах (СРНС). Американская СРНС имеет два равноценных названия: Navigation Satellite Providing Time and Range, сокращенно NAVSTAR (навигационное спутниковое обеспечение времени и дальности), и Global Positioning System, сокращенно GPS (Глобальная система определения местоположения). Российская СРНС называется ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система). СРНС предназначены для надежного, высокоточного, независимого от времени суток, помех, погоды и расположения на земном шаре определения координат и времени. Принцип работы СНС состоит в том, что каждый спутник непрерывно передает сигналы строго определенного вида, несущие информацию о времени и положении спутника в пространстве. Специальный приемник этих сигналов принимает и декодирует информацию от спутника, измеряет расстояние до него, находит из обработки свое положение и точное время. Каждая из СНС состоит из трех подсистем: Подсистема космических аппаратов (ПКА): состоит из самих спутников с передатчиками сигналов, необходимых для работы системы. Подсистема Контроля и Управления (ПКУ): наземные средства, выполняющие задачу наблюдения за спутниками, вычисление орбит, телеметрии и ежедневный контроль необходимый для управления Подсистемой космических аппаратов. Подсистема Аппаратуры Пользователей (ПАП): целый спектр оборудования и вычислительной техники, которая обеспечивает пользователей результатами позиционирования. Спутниковые радио навигационные системы разрабатывались для координатновременного обеспечения военных действий. Эти системы управляются министерствами обороны и полный набор возможностей систем доступен только военным (авторизованным) пользователям. Каждая микроволновая спутниковая система: Передает сигналы, которые в отличие от наземных систем могут быть «услышаны» на очень большой площади, в любом месте земного шара, на земле, в воздухе, или на море. Эти сигналы проходят сквозь облака, дождь и стекло, но не слышны в помещении (если только спутник не виден в окне). Системы можно использовать днем и ночью, в течение того времени, пока передающий спутник находится над горизонтом пользователя. СРНС не признают национальных границ и выдают положение в единой глобальной системе координат, определенной для данной навигационной системы. СРНС представляют данные 3-х мерного позиционирования, обеспечивая точность от нескольких метров до нескольких миллиметров (в зависимости от метода работы). Системы работают 24 часа в сутки, но достигаемая в разное время точность зависит от количества доступных спутников и их расположения относительно наблюдателя. Пользователь не платит за пользование системой. Подсистема космических аппаратов выполняет следующие функции: Прием и хранение данных, передаваемых ПКУ. Поддержание точного времени посредством нескольких бортовых атомных стандартов частоты. Передача информации и сигналов пользователю на одном или на обоих Lдиапазонах частоты. Подсистема космических аппаратов СРНС состоит из созвездия спутников на высоких круговых орбитах и космодромов, с которого они запускаются. Созвездие спутников GPS при полном развертывании системы состоит из 24 спутников, обеспечивающих непрерывное присутствие от 4 до 8 спутников выше 15 над горизонтом в любой точке земного шара. Спутники располагаются в 6 орбитальных плоскостях с наклонением 55 . Высота полета спутников 20000 км, период обращения 11h58m. Большая высота полета обеспечивает возможность наблюдения спутников с большой территории и исключает трудно прогнозируемое влияние атмосферы. На спутнике располагаются приемо-передатчики, атомные часы (четверо), управляющий процессор и разнообразное вспомогательное оборудование. Эти спутники окончательно сформировали систему в современном виде: 21 основной спутник + 3 вспомогательных + 4 резервных. На спутниках реализованы режимы SA и AS (загрубления и шифрования данных) для несанкционированных пользователей. В ПКА ГЛОНАСС также входит созвездие из 24 спутников, расположенных в трех орбитальных плоскостях. Плоскости орбит разнесены по долготе на 120 . В каждой плоскости находится по 8 спутников. Наклон орбиты к экватору равен 64.8 , период обращения Р=11h 15m. Это обеспечивает повторение трассы на земной поверхности через неделю, точнее, через 7 суток 23 часа 27 минут и 28 секунд спутник проходит по небу точно на том же самом месте. №№ п.п. Таблица 1. Сравнительные характеристики систем ГЛОНАСС и GPS Параметры GPS ГЛОНАСС 1 Количество спутников при полном развертывании системы 2 Число орбитальных плоскостей 3 Наклонение орбиты 4 Высота полета над Землей 5 Период обращения 6 Представление орбиты 7 Система отсчета 8 Опорная шкала времени 9 Размер альманаха (бит) 10 Время передачи полного альманаха (минут) 11 Метод разделения сигналов 12 Полоса первых частот L1 (МГц) 13 Полоса вторых частот L2 (МГц) 14 Число элементов в дальномерном коде 15 Тактовая частота (МГц) 16 Отношение полезного сигнала к шуму (ДБ) 17 Тип используемого кода 21+3 24+3 6 55 20183 км 11h57m58s a,e,i, , ,t WGS-84 UTC(US) 150 12.5 кодовый 1575.42 1227.60 511 0.511 -21.6 Код Голда 3 64.8 19100 км 11h15m r, r , r ПЗ-90 UTC(SU) 120 2.5 частотный 1602-1615 1246-1256 1023 1.023 -48 Последовательность максимальной длины Каждый спутник GPS передает уникальный навигационный сигнал на двух частотах L диапазона электромагнитного спектра: L1 на частоте 1575.42 МГц и L2 на частоте 1227.60 МГц. На этих микроволновых частотах сигналы являются высоко направленными и, следовательно, они легко блокируются, а также отражаются твердыми телами и водной поверхностью. Сигналы легко проходят через облака, но могут блокироваться плотной или влажной листвой. Сигналы спутников состоят из (см. рис. 1): - двух несущих волн L-диапазона. - дальномерных кодов, которыми модулируются несущие волны. - навигационного сообщения. 5.8 ИНФОРМАЦИОННО-ТЕХНИЧЕСКОЕ ДОПОЛНЕНИЕ ДЛЯ GPS И ГЛОНАСС Обычно системы ГЛОНАСС и GPS рассматривают в виде трех подсистем – космического сегмента, сегмента управления и сегмента пользователей. Однако нельзя не говорить об еще одном наземном сегменте, который включает информационное обслуживание, международные организации и функциональное дополнение к системам, организационно с ними не связанные, но обеспечивающие получение более точных результатов измерений, чем штатными средствами. 5.8.1 Информационное обеспечение GPS и ГЛОНАСС Для обеспечения информацией о состоянии GPS и ГЛОНАСС а также данными для гражданских пользователей было организовано несколько правительственных и частных информационных служб. Обычно информация содержит сообщения о состоянии созвездий, расписания о перерывах в работе, а также советы пользователям. Орбитальные данные сообщаются в виде альманаха, пригодного для планирования доступности спутников, а точные эфемериды можно использовать для обработки наблюдений векторов базовых линий. Обеспечивается также общая информация с перечислением статей, документов и информации о встречах, симпозиумах и т.п. Официальным источником для гражданской информации является Navigation Information Service (NIS) – Навигационная информационная служба, ранее Информационный центр GPS. Эта служба создана Береговой охраной США (USCG), и она обеспечивает 24-часовое обслуживание через телефонную информационную службу. В США вызов по (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. В приложении А даны Интернет адреса некоторых информационных служб. За пределами США информацию по GPS можно найти в ряде источников. Среди них Группа Австралийской геодезии и Информации о земле (AUSLIG), Канадский форум по космической геодезии (CANSPACE), Германская система информации по GPS и наблюдениям (GIBS), Российский Координационный научно-информационный центр (КНИЦ). Реальные адреса информационных служб регулярно обновляются и публикуются, например, в ежемесячном журнале GPS World. Они включают связи с изготовителями, ассоциациями, правительствами и университетами. Всесторонний обзор таких наставлений можно найти на сайте http://www/gpsy.com/gpsinfo [Hofmann-Wellenhof et al., 2001]. 5.8.2 Международная служба вращения Земли и Госстандарт России Основные задачи Международной службы вращения Земли (МСВЗ) - обеспечение мирового научного и технического сообщества параметрами ориентировки Земли (ПОЗ, Earth Orientation Parameters, EOP), а также реализация, использование и внедрение в практику идеальных международных земных (ITRS) и небесных (ICRS) систем отсчета. МСВЗ работает под эгидой Международной ассоциации геодезии (МАГ) и во взаимодействии с Международным астрономическим союзом (МАС) [IERS, 1995]. МСВЗ имеет Центры анализа для каждого из различных космических геодезических методов, включая РСДБ, ЛЛС, ЛЛЛ, Doris, Prare и GPS. Центральное бюро МСВЗ объединяет результаты, распространяет информацию о параметрах ориентировки Земли (ПОЗ), поддерживает небесную (ICRF) и земную (ITRF) системы отсчета (см. главу 3). Системы отсчета МСВЗ, как ICRF, так и ITRF реализуются в соответствии со стандартами МСВЗ [IERS 1996]. Стандарты МСВЗ состоят из постоянных и моделей, используемых Центрами анализа. Стандарты основаны на состоянии знаний в области обработки геодезических данных и моделей вращения Земли и могут отличаться от принятых стандартов МАГ и МАС, как, например, параметры прецессии и нутации. Система отсчета ICRF реализуется через каталог компактных внегалактических радиоисточников, ITRF – через каталог координат и скоростей станций. Информация о МСВЗ обеспечивается через Интернет из Центрального бюро МСВЗ, расположенного в Парижской обсерватории и Суб-бюро Быстрой Службы и прогнозов МСВЗ, расположенного в Морской обсерватории США в Вашингтоне. В СССР и затем в России определение ПВЗ входит в задачи Госстандарта СССР (РФ), который выводит, прогнозирует и публикует свои значения ПВЗ, несколько отличающиеся от системы МСВЗ. Для вывода ПВЗ Госстандарт России использует радиодальномерные (фазовые) наблюдения спутников ГЛОНАСС, доплеровские наблюдения спутника Гео-ИК и данные астрооптических наблюдений обсерваторий России, Украины, Узбекистана, Болгарии, Польши, Чехии, Словакии и Югославии. 5.8.3 Международная ГНСС служба Всесторонняя информация, включающая точные эфемериды, параметры часов спутников и другие данные, обеспечивается Информационной системой Центрального бюро (ИСЦБ) Международной GPS службы для геодинамики (МГС), находящейся при Лаборатории реактивного движения (JPL). Система ИСЦБ доступна через Интернет и предлагает данные через протокол FTP. Международная GPS служба (МГС, первоначальное название Международная служба GPS для геодинамики) является международной научной службой, которая официально начала действовать с 1 января 1994 г. после нескольких лет исследований и опытно-поисковых работ. МГС собирает, архивирует и распределяет данные наблюдений ГЛОНАСС/GPS-приемниками и использует их для расчета высокоточных эфемерид спутников СРНС, параметров вращения Земли (совместно с МСВЗ), координат и скоростей станций слежения МГС в системах ITRF. МГС также сообщает данные о часах станций слежения и спутников СРНС, а также информацию об ионосфере и тропософере. МГС состоит из сети станций наблюдений, Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета (рис. 2) [Одуан и Гино 2002]. Рис. 2. Организация Международной ГНСС службы [http://igscb.jpl.nasa.gov]. Точность продуктов МГС достаточна для поддержки текущих научных целей, включая реализацию систем координат ITRF, мониторинг вращения Земли и деформации ее твердой и жидкой компонент (табл. 1), причем эта точность постоянно повышается. Таблица 1. Характеристики точности продуктов МГС Вид информации Быстрые (прогноз) Быстрые (обработанные) 3 часа Срочные данные Окончательные данные Задержка в получении данных Эфемериды спутников GPS (см) Поправки часов спутников GPS (нс) Координаты полюса (0.001 ) Продолжительность суток (мкс/сут.) Координаты станций (в плане/по высоте, мм) Скорости движения станций (в плане/по высоте, мм/год) Тропосферная зенитная задержка (мм) Реальное время 10 17 часов 13 суток 5 <5 <5 5 0.2 0.1 <0.1 0.3 0.1 <0.1 0.05 0.06 0.03 0.03 <0.02 - - - 3/6 - - - 2/3 - 6 - 4 Для сравнения отметим, что точность бортовых эфемерид спутников GPS составляет 2 м, а точность поправки часов – 7 нс. Погрешности точных орбит спутников ГЛОНАСС равны 0.3 м. Рис. 3. Глобальная сеть слежения МГС. Наблюдения на станциях МГС выполняются двухчастотными фазовыми приемниками с регистрацией P(Y)-кодовых псевдодальностей с интервалом 30 с. Сжатые и заархивированные результаты измерений хранятся в RINEX-формате (см. раздел 11.9). Действующие в настоящее время станции показаны на рис. 5.29 [http://igscb.jpl.nasa.gov]. 5.8.4 Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS) Информационная система данных о динамике земной коры (CDDIS) поддерживает архивирование данных и деятельность по их распределению для сообщества космической геодезии и геодинамики. Главными целями системы являются хранение связанных с космической геодезией и геодинамикой продуктов данных в центральном банке данных, чтобы поддерживать информацию об архиве этих данных и распространять эти данные и информацию на постоянной основе исследователям NASA и сотрудничающих институтов. Управление (штаб) CDDIS и компьютерные средства размещаются в NASA GSFC в Гринбелте (шт. Мэриленд) и частично в Лаборатории физики Земли при Управлении наук о Земле. Система CDDIS была изначально разработана для обеспечения центрального банка данных для Проекта NASA по динамике земной коры (CDP). Система продолжает поддерживать сообщество космической геодезии и геодинамики через Программу космической геодезии NASA, а также через Предприятие по земным наукам NASA. Система CDDIS была установлена в 1982 г. как специализированный банк данных для архивирования и распространения данных по космической геодезии. В настоящее время CDDIS архивирует и распространяет данные по GPS, лазерной локации спутников и Луны, РСДБ и по системе DORIS для расширяющегося пользовательского сообщества геофизиков. Система CDDIS работает на специальном компьютере, расположенном в Годдардовском центре космических полетов (GSFC) в Гринбелте. Все исследователи из NASA, штаб, и сотрудничающие институты имеют доступ к компьютерным средствам CDDIS через Интернет. Система CDDIS с 1992 г. служит как глобальный центр данных для Международной GPS службы (МГС, IGS). Система поддерживает Международную службу лазерной дальнометрии, Международную службу РСДБ для геодезии и астрометрии (IVS), пилотный эксперимент по системе DORIS, предшественник Международной службы DORIS (IDS) и Международную службу вращения Земли (IERS) в качестве глобального центра данных. 5.8.5 Активные контрольные станции, сети и дифференциальные подсистемы Назначение контрольных активных станций – обеспечение необработанными фазовыми и кодовыми данными для их применения в построении геодезических сетей, геодинамике, поддержке систем отсчета, приложениях для съемки и кинематики с (постобработкой), данными для съемок в реальном времени или поправками для навигации с DGPS или их комбинаций. Активной сетью называют сеть непрерывно действующих станций GPS-наблюдений, данные которых общедоступны по линиям связи. Такие сети работают на территории США и Канады, в некоторых странах Западной Европы. Отдельные станции начинают действовать в России. Активные контрольные станции (АКС) могут действовать как отдельные станции или как часть сети. В сети обычно есть объявленный вычислительный центр, который может быть совмещен с одной из контрольных станций. Некоторые функции АКС, такие как архивирование данных и функции восстановления могут быть централизованы в вычислительном центре. Другими задачами для вычислительного центра являются: - регулярный контроль других АКС, - мониторинг целостности сети, который более мощный, чем мониторинг целостности на АКС, - дополнительная обработка, дающая в результате дополнительные продукты (например, параметры атмосферы), - действие операционной системы. Главное преимущество сети АКС заключается в избыточности, улучшенной доступности и надежности АКС, а также в доступности центральной точки для пользователя. Недостатком сетевого подхода является дополнительные линии связи между вычислительным центром и опорными станциями. Примеры систем АКС можно найти на каждом континенте Земли, начиная с элементарных станций DGPS локальных или широкозонных систем, использующих для передачи поправок национальные радиотрансляционные сети или стационарные спутники, государственные геодезические сети – для съемок и кинематических применений, региональные сети из сотен приемников – для мониторинга землетрясений, как это сделано в Японии и Калифорнии, и вплоть до мировой сети МГС и ее подсетей. Активная сеть США называется CORS (Continuously Operated Reference Stations – Непрерывно действующие опорные станции). Станции CORS работают под эгидой трех ведомств: Национальной геодезической службы (НГС, NGS), Береговой охраны (USCG) и Инженерного армейского корпуса (USACE). Техническая политика осуществляется под руководством НГС. Началом работы CORS считают февраль 1994 г., когда начала наблюдения одна станция с приемником фирмы Trimble Navigation. К началу 2003 г. сеть CIORS насчитывала более 370 станций (http://www.ngs.noaa.gov/CORS). Среднее расстояние между станциями около 200 км. В тектонически активных районах расстояния меньше. Подобные сети меньших размеров создаются и в других странах, в том числе России. НГС собирает и распределяет данные наблюдений GPS национальной сети постоянно действующих приемников, обеспечивает данными о GPS-приемниках и их антеннах, преобразует все данные в RINEX-формат, обеспечивает по возможности метеоданными, также в RINEX-формате. Из-за того, что станции CORS отвечают строгим стандартам в отношении оборудования и методики наблюдений, получаемые данные позволяют определять координаты пунктов в любом месте США на сантиметровом уровне. Сеть CORS объявлена как безошибочная, т.е. любой новый пункт, определяемый относительно CORS, будет иметь ошибку, связанную только с относительными измерениями между CORS и новым пунктом. Результаты измерений доступны через Интернет в течение 31 дня, после чего они архивируются, однако, при необходимости они также доступны, но за плату. Для использования данных CORS необходимо несколько утилит. Наблюдения станций CORS хранятся в виде часовых и суточных файлов с интервалами между эпохами в 5 или 30 с. Если данные пользователя превышают по времени соответствующий часовой файл, то к нему необходимо подсоединить другие часовые файлы. Если у пользователя интервал между эпохами был, например 15 с, то либо в данных CORS, либо в данных пользователя необходимо удалять лишние измерения, в зависимости от того, с каким интервалом между эпохами оказался файл данных CORS. В каталоге STATION_LOG имеются идентификаторы станций активной сети, информация об антеннах на каждой точке. Каталог COORD содержит данные о прямоугольных и геодезических координатах, а также об ортометрических высотах станций CORS в системах ITRF и NAD-83. Координаты в системе NAD-83 уравнены с ближайшими пунктами высокоточной спутниковой сети HARN. Результаты наблюдений хранятся в каталоге RINEX. Параллельно с данными наблюдений доступны также точные эфемериды. При наличии активной сети сбор данных на пунктах может выполнять наблюдатель с одним приемником. Выполнив полевые измерения на своих пунктах, он после возвращения в свой офис по сети Интернет пересылает на свой компьютер данные измерений от ближайших станций CORS, файлы метеоданных, ионосферы, точных эфемерид, координаты опорных станций CORS и может выполнять всю обработку (даже одночастотного приемника) с контролем [http://www.ngs.noaa.gov/CORS/cors-data.html]. Активные сети успешно используются во многих областях деятельности (рис.5.30). В дополнение к Системе Национальной сети CORS в конце 1990-х появилась сеть Кооперативных CORS, образованная неправительственными организациями. Основное различие между Национальной и Кооперативной CORS лежит в области расписания работы, сроков контроля координат станций и ряд других положений. В настоящее время НГС ежедневно собирает данные с каждого пункта Национальной сети CORS и выполняет контроль их качества. Данные преобразуются в формат RINEX и выставляются в Интернете минимум на два года. Данные также архивируются для постоянного хранения. В программе Кооперативной CORS обязанность участвующих организаций обработать свои собственные данные хотя бы на семь суток. Поскольку НГС не будет представлять координаты для каждого пункта, то пользователи вынуждены использовать связи страницы НГС в Интернете напрямую с сайтами, где можно получать данные наблюдений и координаты. Другим отличием являются операции по времени работы: программа Национальных CORS требует непрерывных операций еѐ GPS приѐмников по 24 часа в сутки и 7 суток в неделю. Кооперативным CORS нужно работать на 8 часов в сутки и 5 суток в неделю [Prusky 2001]. Канадская активная сеть называется CACS (Canadian active control system – Канадская активная контрольная система). Система работает под совместным управлением Дивизиона геодезической службы Канады и Геологической службы Канады управляет Канадской активной контрольной системой (CACS). Система состоит из непосещаемых станций слежения, называемых Active Control Points (ACP) – активными контрольными точками, которые непрерывно записывают измерения фазы и псевдодальностей для всех спутников GPS в пределах зоны видимости станции. Каждая станция ACP оборудована высокоточным двухчастотным приемником и атомным стандартом частоты. На всех станциях также записывается температура, давление и влажность. Собранные данные находятся посуточно на центральных средствах обработки. На начало 2004 г. работало более 40 станций. Система CACS обеспечивает эффективный доступ к современным пространственным опорным системам (NAD83CSRS, ITRF, и др.) и улучшает эффективность и точность применения GPS. Это сопровождается мониторингом целостности и исполнения из анализа данных, накопленных при непрерывном слежении, и вычислением точных эфемерид и точных поправок часов спутников, поддержкой широкозонных DGPS и других применений (геодинамика, передача точного времени и др.). Доступность точных эфемерид, поправок часов спутников и данных наблюдений на ACP приносят значительную пользу канадским геодезистам. Активная сеть дает возможность производить определение координат в любом месте Канады с точностью от сантиметра до нескольких метров относительно национальной опорной системы без явного посещения существующих контрольных знаков или базовых станций. [http://www.geod.nrcan.gc.ca]. Дифференциальные подсистемы. Спутниковые навигационные системы позволяют потребителю получить координаты с точностью порядка 10–15 м. Однако для многих задач, особенно для навигации в городах, требуется большая точность. Один из основных методов повышения точности определения местонахождения объекта основан на применении известного в радионавигации принципа дифференциальных навигационных измерений. Дифференциальный режим DGPS (Differential GPS) позволяет установить координаты с точностью до 3 м в динамической навигационной обстановке и до 1 м — в статических условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приѐмника, называемого опорной станцией. Она располагается в пункте с известными координатами, в том же районе, что и основной GPS-приѐмник. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съѐмки) с измеренными, опорная станция вычисляет поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате. Аппаратура потребителя принимает от опорной станции дифференциальные поправки и учитывает их при определении местонахождения потребителя. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и опорной станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приѐмнику) причинами. По экспериментальным данным, опорную станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. В настоящее время существуют множество широкозонных, региональных и локальных дифференциальных систем. В качестве широкозонных стоит отметить такие системы, как американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS. Эти системы используют геостационарные спутники для передачи поправок всем потребителям, находящимся в зоне их действия. Региональные системы предназначены для навигационного обеспечения отдельных участков земной поверхности. Обычно региональные системы используют в крупных городах, на транспортных магистралях и судоходных реках, в портах и по берегу морей и океанов. Диаметр рабочей зоны региональной системы обычно составляет от 500 до 2000 км. Она может иметь в 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]. КОНСПЕКТ ЛЕКЦИЙ ПО КУРСУ «КОСМИЧЕСКАЯ ГЕОДЕЗИЯ И ГЕОДИНАМИКА» ДЛЯ СТУДЕНТОВ СПЕЦИАЛЬНОСТИ 300500 3. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ ИСКУССТВЕННЫЕ СПУТНИКИ ЗЕМЛИ (ГИСЗ), СПУТНИКОВЫЕ СИСТЕМЫ И МЕТОДЫ ИХ НАБЛЮДЕНИЙ 3.1. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ СПУТНИКИ И СИСТЕМЫ Негеодезические спутники, использовавшиеся в целях геодезии. Спутник 2, по которому Э. Бухар получил сжатие. Наиболее известными спутниками из этой категории являются спутники Эхо и Эхо-2. Их аналогом является PAGEOS. Это спутники связи (пассивные ретрансляторы), представлявшие собой надувные баллоны диаметром соответственно 30.5, 41 и и 31 м. По наблюдениям спутника Transit была определена грушевидность Земли (асимметрия северного и южного полушарий) и асимметрия экватора. Спутники делятся на активные и пассивные. Геодезические спутники. ANNA-1B. Запущен в 1962 г. Оборудование геодезических спутников: радиодальномерная система, доплеровсий передатчик, оптический маяк, ретрорефлекторы. Рис. 1. Геодезические спутники: ANNA-1B, Гео-ИК, Эталон (Масса 1415 кг, диаметр 129.4 см, на поверхности 2000 уголковых отражателей). 3.2. СПУТНИКОВАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ СИСТЕМА DORIS Название DORIS расшифровывается как Doppler Orbitography and Radiopositioning Integrated by Satellite (определение орбит и положений по доплеровским спутниковым измерениям). Система разработана во Франции в расчете на сантиметровую точность позиционирования. Система DORIS была задумана как космический геодезист, но она также является системой для наземного позиционирования, найдя применения во многих задачах геодезии и геофизики. Создана Международная Служба International Doris Service (IDS). Рис. 2. Концепция системы DORIS В этой системе измеряется скорость изменения расстояний до спутника по сигналам от плотной сети наземных радиомаяков. Полученные данные обрабатываются на земле, обеспечивая сантиметровую точность определения орбит. Также эти данные обрабатываются на борту, давая в реальном времени точность положений спутников в несколько дециметров. В системе используются альтиметрические спутники TOPEX/POSEIDON, Jason-1 и ENVISAT и спутники для дистанционного зондирования SPOT-2, SPOT-3, SPOT-4 и SPOT-5 (рис. 4). В дополнение к возможности определения орбит данные используются для: - изучения динамики твердой Земли, - мониторинга ледников, оползней и вулканов, - улучшения моделирования гравитационного поля Земли и ионосферы. Система DORIS была запроектирована для выполнения очень точного определения параметров орбит спутников, вращающихся на низких орбитах, в поддержку эксперимента по океанической альтиметрии Poseidon. Предполагалось обеспечить высоту опорных орбиты для обработки данных радарной альтиметрии с точностью около 10 см и менее. Рис. 3. Три ключевых идеи системы DORIS: ультрастабиль-ный генератор, глобальная сеть пунктов и использование двух частот. Система DORIS включает бортовое оборудование, сеть маяков (рис. 2.8), оборудованных автономными источниками питания, и Центр контроля и обработки данных в Тулузе (Франция). Размещение пунктов сети и их поддержка выполняется Национальным географическим институтом Франции (IGN). Временное обеспечение системы реализуется через главные маяки, расположенные в Тулузе и в Куру (Французская Гвиана), которые связаны с атомными часами. Рис. 4. Спутники и задачи системы DORIS. В основе системы DORIS заложено точное измерение доплеровского сдвига радиочастоты сигналов, передаваемых наземными маяками (рис. 2.7) и принимаемых на борту космического аппарата. Измерения производятся на двух частотах: 2.03625 ГГц для измерения доплеровского сдвига и 401.25 МГц для ионосферной коррекции задержки распространения. Частота 401.25 МГц также используется для отметок времени измерений и передачи вспомогательных данных. Выбор системы передачи только на спутник позволяет полностью автоматизировать операции маяков и легкие линии связи по централизованной доставке данных в центр обработки. Бортовой инструмент DORIS состоит из: Дополнительного приемника с двумя приемными цепями; Сверхстабильного кварцевого генератора (USO), идентичного тем генераторам, которые используются в наземном сегменте DORIS; Всенаправленной двухчастотной антенны; Прибора блока контроля (совмещенного с MWR). Частота: доплеровского измерения Ионосферной коррекции 2.03625 GHz 401.25 MHz Точность положения: В реальном времени 1м Resituated 0.05 м по радиусу Точность скорости В реальном времени Resituated < 2.5 mm/s 0.4 mm/s Операции Непрерывно по всей орбите Темп передачи данных 16.7 kb/s Масса 91 kg (incl. ICU) Мощность 42 W Рис. 5. Спутниковая антенна DORIS Приемник может одновременно собирать информацию от двух маяков. Доплеровские измерения также обрабатываются на борту с меньшей точностью. Сверхстабильные генераторы, с изменением частоты не более чем 10 -13 за прохождение спутника, гарантируют за прохождение спутника точность, эквивалентную часам, которые уходят на 0.2 мс за человеческую жизнь (против 1 часа для наручных часов). Точность доплеровских измерений 0.3 мм за секунду по радиальному компоненту в скорости спутник-станция, этого достаточно для определения орбиты с точностью несколько сантиметров. Использование двух частот позволяет делать коррекцию за ионосферную задержку. Наземный сегмент состоит из: Центр SSALTO multimission control centre , управляемый CLS по поручению CNES; Установок маяков и центра управления от IGN, координирующего глобальную сеть маяков для определения орбит (ODB). Сеть состоит из 60 станций слежения, размещенных по всему земному шару в 30 странах (в России: Красноярск, Бадары, ЮжноСахалинск). Точных определений орбит, выполняемых в CNES, и вычислений гравитационного поля Земли по данным DORIS в группой GRGS. Масштаб времени и опорной частоты для всей системы обеспечивается главным маяком, связанным с главными часами. Контрольный центр системы DORIS выполняет контроль инструментов по данным телеметрии и оперативному определению орбит. l Рис. 6. Орбитографический наземный маяк DORIS передает на спутник сигналы на двух разных частотах (2036.25 MHz и 401.25 MHz). Бортовой приемник спутника анализирует принятые сигналы для вычисления скорости движения относительно Земли. Эта скорость подается в модели для определения орбиты, по которой выводится положение спутника на орбите в пределах двух сантиметров по радиальному компоненту. Чрезвычайно важна возможность поддерживать непрерывное слежение за орбитами спутников. В отличие от системы GPS, которая направляет сигналы от созвездия спутников на Землю (или к спутникам на низких орбитах), DORIS посылает сигналы на спутники. Сбор данных на спутнике и при SSALTO контроле мультимиссий и центр обработки делает систему практически надежной и представляет определенное преимущество для распределения продуктов почти в реальном времени. Система с передачей вверх также позволяет вести непрерывный дистанционный мониторинг станций сети, значительно уменьшая стоимость работ. А поскольку наземные маяки на станциях работают в автоматическом режиме, то они добавляют преимущество, будучи способными отслеживать смещения на земле за долгий период. Рис. 7. Глобальная сеть системы DORIS. Бортовой навигатор Diode определяет положение спутника на орбите в реальном времени. Эта информация важна для обеспечения альтиметрических данных в реальном или почти в реальном времени. Каждые 10 секунд Diode запускает программу, которая: распознает команды, предсказывает положение спутника по модели его движения, исправляет предсказанное положение на основе измерений Doris (когда спутник в зоне видимости наземного маяка); и, наконец, передает вычисленное положение пользователям. Доплеровский сдвиг частоты измеряется на борту спутника каждые 10 секунд. Полученная радиальная скорость (ее точность около 0.4 мм/с) используется на земле в комбинации с динамической моделью траектории спутника для точного определения орбиты с ошибкой по высоте не более 5 см. Эти данные становятся доступными через 1.5 месяца из-за запаздывания внешних данных, например, таких как солнечное излучение. Доплеровские измерения также обрабатываются на борту для получения в реальном времени параметров орбиты с меньшей точностью. Каждый маяк состоит из двух передатчиков с частотой 2036.25 МГц и 401.25 МГц, сверх стабильного генератора, микропроцессора, выполняющего функции контроля и управления, передачу времени, а также диагностику неисправностей, антенны и трех метеорологических сенсоров (атмосферного давления, температуры и влажности), необходимых для определения тропосферных задержек. Сигнал маяка содержит идентификатор, метеорологические данные и информацию о состоянии прибора. Сообщение имеет длину 0.8 с и повторяется каждые 10 с. Подробную информацию о системе DORIS можно найти в Интернете на сайте Международной службы DORIS (IDS) http://ids.cls.fr/html/site_map.html. 3.3. Система PRARE Система PRARE была разработана в Германии в 1982 г. как ответ на просьбу Европейского космического агентства по использованию новой серии спутников для дистанционного зондирования Земли, начавшейся с запуска ERS-1. Название PRARE является акронимом от Precise Range And Range-Rate Equipment – аппаратура для точного измерения расстояний и скорости изменения расстояний. Это компактная космическая запросная двухчастотная микроволновая система слежения. Система участвует в обычных бортовых операциях, начиная со спутника ERS-2, запущенного в мае 1995 г. С помощью глобальной сети мобильных, автономно работающих наземных станций система выполняет синхронные измерения наклонных дальностей по кодам и скорости изменения расстояний (то есть относительную скорость) по фазовому смещению соответственно на уровне субдециметра и мм/с. Рис. 8. Глобальная сеть станций системы PRARE на карте границ тектонических плит. Система PRARE состоит из космического, наземного и контрольного сегментов, причем наземный сегмент включает до 29 транспортабельных, автономно действующих и глобально рспределенных станций. Конрольный сегмент установлен в Германии и состоит из Главной станции (управляемой GFZ в Oberpfaffenhofen: сети управления и поддержки, обработки данных, контроля качества и), Станции мониторинга и командной системы Monitoring and System Command Station (управляемой TimeTech GmbH in Stuttgart: контроль космического сегмента, передача данных), и Станции калибровки Calibration Station (управляется GFZ в Potsdam: периодические калибровки f PRARE через laser).. Космический сегмент PRARE, включающий наземные средства тестирования (ground test facilities, EGSE) полностью разработан и изготовлен в Германии. После интенсивной проверки на Земле спутниковая часть системы с января 1994 по октябрь 1995 г. функционировала на борту российского метеорологического спутника Метеор-3. С апреля 1995 г. система работает на спутниках серии ERS-2 (рис. 2.10). Ежесуточно выполняется около 50000 измерений, которые характеризуются точностью от 2.5 до 6.5 см по расстоянию и 0.1 мм/с по скорости изменения расстояния. Кроме сети наземных станций (рис. 8) и космического сегмента третьим компонентом PRARE является система контрольного сегмента. Она включает Главную станцию управления, станцию контроля времени и системных команд и станцию калибровки. Все станции располагаются в Германии (соответственно в Оберпфаффенхофене, Штутгарте и Потсдаме). Эти станции имеют возможности оценивать данные, контролировать работу системы и линии связи как на спутниках ERS-2, так и у наземных станций через линии связи микроволнового диапазона. Это делает системы независимой от несущего ее спутника. Рис. 9. Спутник для дистанционного зондирования ERS-2 (высота полета 780 км, наклонение 98.5 , масса 2300 кг) [http://www.op.gfz-potsdam.de/prare/general/general.html]. Высококачественные измерения PRARE, хорошая повторяемость измерений в глобальном масштабе, плотность и пространственное распределение пунктов позволяют использовать их для геодинамических исследований, в том числе таких как: - точное определение орбит, - определение координат и скоростей станций, - определение параметров вращения Земли и гравитационного поля Земли, - определение параметров ионосферы, - информация о точном времени. Описание системы PRARE Разработка системы PRARE была инициирована в 1982 г. как ответ на ESA/ESTEC's "извещение о возможности" участвовать в оценке возможностей первого Европейского спутника с дистанционным зондированием ERS-1. Вначале целью этой полностью новой разработки было обеспечение системы, способной измерять высокоточные расстояния (= радиальные дальности) и скорости изменения расстояний (= относительные скорости) между космосом и землей в одно и то же время и полностью синхронно. Система должна работать непрерывно и автономно, и должна избегать неудобств из-за других микроволновых спутниковых систем слежения, имеющихся в тот же период времени. Принцип измерений основан на полностью когерентном двухпутном потоке сигналов (космос -> земля -> космос). Эти сигналы характеризуются низкой мощностью в Гигагерцовом диапазоне, на них слабо влияет среда окружения, и они могут действовать независимо от сезонных условий и времени суток (освещения). Структура сигналов представляет собой комбинацию высокочастотных несущих (X- и S-диапазона), с наложенными pn-кодами (10 и 1 Mcps - мегачипов), и данных широкого спектра, модулирующих на двух каналах (16 бод = сигнал временных кодов, и 2/4/10 килобод = данные измерений и housekeeping). 3.4. РОССИЙСКИЙ КОСМИЧЕСКИЙ ГЕОДЕЗИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС «ГЕО-ИК» С 1981 г. в СССР (позднее в России) производятся регулярные запуски космических аппаратов типа «Гео-ИК» (другое название «Муссон», рис. 1). Эти спутники, созданные НПО прикладной механики (г. Красноярск-26, ныне г. Железногорск), предназначались для формирования космического сегмента национальной геодезической системы 2-го поколения, выполняющей задачи точного определения координат различных точек земной поверхности, развития геодезических сетей, уточнения формы и координат центра масс Земли, решения целого комплекса оборонных, народнохозяйственных и научных координатометрических задач. За годы эксплуатации КА типа «Гео-ИК» позволили накопить большой объем уникальной измерительной информации, без которой были бы невозможны полноценное и эффективное использование, координатная привязка любых снимков поверхности Земли, составление новых земных карт, работа навигационных служб. Спутник «Гео-ИК» имеет следующие характеристики: масса 1610 кг, длина 5.84 м, диаметр 2.36 м, наклонение орбиты 73.6 или 82.6 , высота полета 1500 км, период обращения 116 мин. [http://www.npopm.ru/produkt/satelites/geo-ik.htm]. На борту спутников «Гео-ИК» установлена доплеровская система измерения радиальной составляющей скорости, ретранслятор системы измерения наклонной дальности, оптические уголковые отражатели для наземной лазерной аппаратуры измерения дальности и система световой сигнализации, позволяющая производить серии вспышек, фотографируемых наземными фотоастрономическими установками на фоне звездного неба. На КА «Муссон» № 24 вместо системы световой сигнализации был установлен радиотехнический комплекс «Элекон», предназначенный для навигационного сопровождения ценных грузов. Уточнение гравитационного поля Земли осуществляется по данным высокоточного радиовысотомера, который производит измерения и предварительную обработку результатов измерений высот от поверхности Мирового Океана с последующей передачей на Землю. В дальнейшем спутниковая альтиметрия обрабатывается совместно с результатами наземной гравиметрической съемки. Одновременно с измерениями, с помощью бортовых запоминающих устройств осуществляется доставка на наземные астрономо-геодезические пункты программ работы с космическим геодезическим комплексом (программы наблюдений). [Глушков и др. 2002; http://www.plesetzk.narod.ru]. 3.5. МЕТОДЫ НАБЛЮДЕНИЙ. НАБЛЮДАЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ И БАЗОВЫЕ КОНЦЕПЦИИ Используемые в спутниковой геодезии методы наблюдений можно делить поразному. По диапазону спектра методы наблюдений делят на оптические и радиотехнические. Оптические: фотогрфический, фотоэлектрический, фототелевизионный, лазерный, интерферометрический. Радиотехнические: радио дальномерный, доплеровский (дифференциальный и интегральный). Классификация по расположению платформы для наблюдений: - методы наблюдений с поверхности Земли (наземная станция спутник), - методы наблюдений со спутника (спутник наземная станция), - методы наблюдений между спутниками (спутник спутник). Еще одна классификация следует по типам параметров наблюдений. Сводка наиболее важных методов наблюдений дана ниже. Включены ссылки на специальные геодезические спутники. Графический обзор дан на рис. 10. Детальное представление и обсуждение индивидуальных особенностей методов наблюдений дается ниже. Рис. 10. Обзор методов наблюдений в спутниковой геодезии 3.5.1. Определение направлений Фотографические методы почти исключительно использовались для определения направлений. Искусственный спутник, который освещается лучами Солнца, импульсами лазера или имеет некоторое устройство для подачи вспышек, фотографируется с земной поверхности на фоне звезд. Станция наблюдений должна располагаться в достаточной темноте на ночной стороне земного шара. Звезды и траектории спутников, изображенные на фотопластинке или пленке, получаются соответствующей следящей камерой или CCD сенсором. На специальном измерительном приборе получают прямоугольные координаты звезд и положений спутника в картинной плоскости, которые можно трансформировать в топоцентрические направления между станцией наблюдений и спутником, выраженные в опорной системе звездного каталога (экваториальные топоцентрические координаты). Была достигнута точность определения направлений до 1 . Предел ставит атмосфера Земли, вызывающая явление дрожания звездных изображений. Освещение спутников лучом лазера. Большого распространения не нашло. Метод РСДБ. Это наиболее точный метод современной космической геодезии. РСДБ – объединенная техника радио астрономии, атомных стандартов частоты, космической радиосвязи, ионосферных наблюдений, записи данных с высокой плотностью и высокоскоростной обработки данных. РСДБ наблюдает удаленные внегалактические радиоисточники - квазары и радиогалактики, используя радиотелескопы с независимыми стандартами времени и частоты - высокостабильными водородными мазерами. Шумовые сигналы от радиоисточника записываются на магнитные ленты. Специальные устройства - корреляторы - обрабатывают эти записи для того, чтобы извлечь информацию о разности времени между приходом волны на антенны РСДБ комплекса. Полученная информация, записанная уже в цифровом виде, используется астрономами и геодезистами для изучения различных физических процессов. На рис. 3а показан принцип работы простейшего радиоинтерферометра из двух антенн. РСДБ является геометрическим методом: здесь измеряется разность моментов прибытия радиоволны от удаленного квазара на две расположенные на Земле антенны. Используя большое число измерений временных разностей от многих квазаров, наблюдаемых глобальной сетью наземных радиотелескопов, в методе РСДБ определяют инерциальную систему отсчета, задаваемую квазарами и одновременно находит точные положения антенн. Поскольку измерения времени производятся с точностью до нескольких пикосекунд, то взаимные положения антенн определяют с точностью до нескольких миллиметров, а положения квазаров – до долей миллисекунды дуги. Поэтому, как правило, в работе сети РСДБ участвуют 4-6 радиотелескопов, а иногда и больше. Техника РСДБ помогает решать различные проблемы астрометрии, геодезии и геодинамики. Точные координаты РСДБ антенн задают Международную земную систему координат (ITRF). Точные координаты квазаров задают Международную небесную систему отсчета (ICRF). Эти две системы отсчета связаны между собой с помощью пяти параметров вращения Земли (EOP) - поправки к двум углам нутации, поправки к координатам полюса и разность UT1-UTC. РСДБ позволяет оценивать все указанные величины, являясь, таким образом, универсальным средством как для построения обеих систем координат, так и для установления связи между ними [http://astro.pu.ru/ruswin/staff/titov/VLBI.html, http://www.nict.go.jp/ka/radioastro/vlbi.html]. а б Рис. 11. (а) Принцип работы РСДБ. (б) Антенна РСДБ Центра космических исследований в Кашима (Япония). Диаметр антенны 34 м 3.5.2. Определение расстояний Для определения расстояний в спутниковой геодезии измеряется время прохождения электромагнитного сигнала между наземной станцией и спутником. В соответствии с диапазоном спектра электромагнитного излучения различают оптические системы и радарные системы. Оптические системы (лазерные дальномеры) зависят от погоды. Чтобы достигнуть высокой мощности излучения и точности используется исключительно лучи лазера (рис. 12, 13). Лазерная локация спутников – это измерение точных расстояний между лазерным телескопом (дальномером) и отражателями на поверхности пролетающего спутника. Локация производится подачей очень коротких вспышек лазерного излучения (10-150 пс). Зондирующий импульс запускает счетчик интервалов времени. Отраженный импульс регистрируется высокочувствительным детектором (отраженный импульс очень слабый, иногда даже может содержать всего один фотон). Вернувшийся сигнал останавливает счетчик, и записывается время прохождения луча . Поскольку скорость распространения света известна, то можно вычислить пройденное светом расстояние: В измеренное расстояние вводятся поправки за влияние атмосферы, за калибровку и за несовпадение отражателей с центром масс спутника. Скорость света не является постоянной при прохождении луча через атмосферу и это вносит наибольшую ошибку в измерения. Тем не менее, эта погрешность для волн оптического диапазона значительно меньше, чем для волн радиодиапазона. Лучшие современные стационарные лазерные дальномерные системы (рис. 2.4а) обеспечивают среднюю квадратическую погрешность одного выстрела около 10 мм, а для нормального места - 2 – 3 мм. Эти характеристики относятся к спутникам, удаленным примерно на 6000 км (Lageos, Эталон, рис1). Этот уровень точности невозможно выдерживать для более далеких спутников из-за слабого сигнала, а для более близких спутников – из-за локальных гравитационных воздействий. Наиболее существенным недостатком метода лазерной локации спутников является его зависимость от погоды, поскольку для оптического диапазона электромагнитного излучения облачный покров является непреодолимым препятствием. Уравнение для лазерных измерений: c где /2 tropo centr kalibr , - временная задержка (время прохождения сигнала прямо и обратно), поправка за приведение к центру масс спутника, дальномера. Тропосферная задержка tropo слабо kalibr centr - - поправка за калибровку зависит от погоды, поэтому метод считается абсолютным. Для лазерной локации Луны используются уголковые рефлекторы, расположенные на советских космических аппаратах Луноход-1 и Луноход-2, а также доставленные во время лунных экспедиций американских кораблей Аполлон-11, -14 и -15 [Burša, Kostelecký 1999]. Радарные системы не зависят от погоды; используемые длины волн сантиметрового и дециметрового диапазона. Время распространения значительно зависит от влияния рефракции радио волн в атмосфере. Различают однонаправленный и двунаправленный способы измерений расстояний. Рис. 12. Схема работы лазерного дальномера (двухпутный метод) Рис. 13. Лазерный спутниковый дальномер Система контроля наведения Измерение времени телескоп и детектор Лазер Регистрация данных Уголковые отражатели Следящий 3.5.3. Доплеровские наблюдения. Измерение разностей расстояний Другой принцип позиционирования, используемый в радионавигации, основан на эффекте Доплера, при котором происходит изменение частоты сигнала, принятого наблюдателем, из-за относительного движения передатчика и приемника. Доплеровский сдвиг частоты определяется как разность между частотой принятого сигнала и частотой радио источника. Переданная и принятая частоты, fT и fR, связаны соотношением: fR fT 1  , vs (2.10) где – изменяющееся расстояние между передатчиком и приемником,  - скорость изменения этого расстояния или лучевая скорость, vs – скорость распространения сигнала. Вместо термина «лучевая скорость» может применяться термин «радиальная скорость». Доплеровскому сдвигу частоты fD = fT – fR соответствуют поверхности положения в виде конусов. Вершины конусов совпадают с положениями спутника (S1, S2, S3 на рис. 14), осями конусов являются векторы полной скорости V1, V2, V3. Угол раствора конуса равен углу между векторами полной и лучевой скорости. Рис. 14. Позиционирование по лучевой скорости. 3.5.4. Спутниковая альтиметрия Это особая форма измерения расстояний, где измеряется вертикальное расстояние между спутником и поверхностью океана. Спутниковая альтиметрия была действительно первым способом измерений спутник-земля. Спутник имеет на борту радарный альтиметр, никаких базовых станций на земле не требуется. Высота альтиметра над поверхностью моря a0 измеряется по времени двустороннего прохождения сигнала, который излучается спутником и отражается от морской поверхности. Если высота орбиты спутника над эллипсоидом h известна, и обеспечивает приближенное соотношение M h a0 То есть среднее расстояние между уровнем моря и эллипсоидом (рис. 4.8) .Следовательно, спутниковую альтиметрию можно использовать для определения геоида на океанах. Спутники GEOS-3 и SEASAT-1 были первыми двумя спутниками, которые несли радарные альтиметры, и интенсивно использовались для геодезических целей. Другими спутниками были GEOSAT, ERS-1, ERS-2, TOPEX-POSEIDON, GFO, JASON, ENVISAT, обеспечившими значительный вклад в геодезию, геофизику и океанографию. Запуск дополнительных спутников, оборудованных радио альтиметрами, ожидается в ближайшие несколько лет. Спутниковая альтиметрия с лазерной системой в стадии подготовки. Первый лазерный альтиметр был запущен на спутники ICESAT. 3.5.6 Системы спутник-спутник. Гравитационные миссии Модель гравитационного поля должна иметь тот же уровень точности, что и обычно достигается для глобального определения положения. Некоторые из вкладов в различные области геодезии будут (Schuyer, 1997) будут: Геодезия – глобальная система высот, определение высот через GPS, движения льда и вертикальные движения земной поверхности, Геофизика – процессы в земной коре и мантии, континентальной литосфере (постледниковая отдача), океаническая литосфера (процессы субдукции), Океанография – абсолютные циркуляции, изменение уровня моря, изменения климата. Единственная прогнозируемая возможность для удовлетворения этих требований связана с гравитационными полевыми миссиями с высоким разрешением. Их сущность заключается в использовании спутников как гравитационные зонды в поле силы тяжести Земли. Чтобы преодолеть ограничения, связанные с наземными наблюдениями спутников, представляющими традиционные методы, должны выполняться три фундаментальных критерия: - высота орбиты как можно ниже (200-500 км), - непрерывный охват трехмерными наблюдениями больших орбитальных дуг, и - разделение гравитационных и негравитационных сил, действующих на спутник. С такими соображениями реализуются две концепции, которые уже проверены (см. также Rummel et al., 2002). Это: - наблюдения спутник-спутник (измерения расстояний и скорости изменения расстояний между спутниками), и - спутниковая градиентометрия (измерение разности ускорений силы тяжести внутри спутника. По первой концепции различают конфигурации между высокий-низкий и низкийнизкий. На рис. 15 продемонстрированы все три метода. Рис. 15. Разные концепции, посвященные гравитационным полевым миссиям: SSTHL, SST-LL, SGG по [Rummel et al., 2002] Наблюдения спутник-спутник в режиме высокий-низкий (SST-HL) означают, что спутник на орбите LEO наблюдается высокими спутниками типа GPS, ГЛОНАСС или Galileo относительно сети наземных станций. Негравитационные силы, действующие на низкий спутник, измеряются акселерометрами. Спутник LEO является зондом в гравитационном поле Земли, который можно точно и непрерывно наблюдать. Наблюдаемые 3-D ускорения соответствуют гравитационным ускорениям. Наблюдения спутник-спутник в режиме низкий-низкий (SST-LL) означают, что два спутника LEO находятся на одной и той же низкой орбите, разделенные несколькими сотнями километров, и что расстояние D между обоими спутниками измеряется по межспутниковой линии связи с максимально возможной точностью. Снова, влияние негравитационных сил, действующих на два спутника LEO, можно либо измерить, либо компенсировать (см. [4.3.3.1]). В сущности, разность ускорений между двумя LEO измеряется. Конфигурация LL может объединяться с конфигурацией HL. Одно преимущество над чистым методом HL состоит в том, что вычитание (образование разностей) наблюдений обеспечивает намного более высокую чувствительность. Спутниковая градиентометрия (SSG) означает, что измеряется разность ускорений непосредственно на спутнике. Поскольку КА находится в свободном падении, то ускорения можно измерить от центра масс спутника идеально во всех трех направлениях. Одно важно преимущество по сравнению с методом SST состоит в том, что негравитационные ускорения оказываются одинаковыми для всех измерений внутри КА, и, следовательно, исключаются при вычитании. В первом случае (SST-HL) измеряются первые производные от гравитационного потенциала, а во втором случае (SST-LL) – разности первых производных вдоль длинной базовой линии. В третьем случае (SSG) определяются вторые производные. Кратко, методы можно охарактеризовать как SST-HL – измерение ускорений на одном LEO, SST-LL измерение разностей ускорений между двумя LEO, SSG- измерения in situ градиентов ускорений в пределах одного LEO. Было разработано огромное количество предложений по всем трем концепциям в течение последних 30 лет. Среди них – Geopotential Research Mission (GRM), Aristoteles или STEP (Satellite Test of the Equivalence Principle). Их обзор см. в Sneeuw, Ilk 1997. Хотя эти проекты не были реализованы, принципы, разработанные в них, тем не менее, вошли в большинство существующих или планируемых космических экспериментов. Замечательно, что все три упомянутых выше метода возможно будут реализованы в первое десятилетие нового столетия в миссиях CHAMP, GRACE и GOCE. Этому периоду поэтому дано название – Десятилетие геопотенциальных исследований – Decade of Geopotentional Research. Эти миссии имеют различные характеристики и, следовательно, удовлетворяют разным аспектам определения высокоточного точного гравитационного поля. Рис. 10.1 дает представление об этом. Все три миссии будут значительно улучшать наилучшую существующую модель гравитационного поля EGM-96 на несколько порядков величин: CHAMP – до 70 порядок и степени, GRACE – примерно до 140, GOCE – до 350 порядка и степени. В то время как GRACE показывает наивысшую точность для низких гармоник до 70 порядка и, следовательно, может выявлять изменения гравитационного поля во времени на этом уровне, GOCE показывает наилучшие результаты между степенями 70 и 350 и может также обеспечить геоид с точностью 1 см для коротких полуволн с длиной около 80 км. Больше деталей дается в следующих двух разделах и в цитируемой литературе. ГНСС АППАРАТУРА 1. Глобальные навигационные спутниковые системы В 80-х годах прошлого столетия в геодезии появилось новое средство измерений – приемники, работающие по сигналам спутниковых радио навигационных систем (СРНС) – американской GPS (NAVSTAR) и российской ГЛОНАСС. Для геодезии решающими оказались такие преимущества новых методов позиционирования как высокая точность измерений, независимость от погоды и времени суток, от взаимной видимости между пунктами, высокий уровень автоматизации, возможность работать непрерывно (вести мониторинг явлений) и в движении. Эти качества обусловили высокую производительность и экономичность спутниковых технологий и, как следствие, быстрое внедрение в производство. Позднее, в середине 90-х появились приемники, которые могли одновременно работать по сигналам систем и GPS, и ГЛОНАСС. Их стали называть двухсистемными или ГНСС приемниками. В соответствии с документом A/CONF.184/BP/4 по спутниковой навигации и системам определения местоположения, опубликованному ООН в 1998 г. на Третьей конференции ООН по исследованию и мирному использованию космического пространства, термин «Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГНСС)» относится к радио системе определения местоположений космического базирования, которая включает одно или более созвездий спутников, усиленных при необходимости подсистемами поддержки, и которые обеспечивают в течение 24-х часов в сутки информацией о трехмерных положениях, скорости и времени для пользователей, находящихся в любом месте на поверхности земли или около нее (и иногда вне Земли)» [Hofmann-Wellenhof et al. 2008]. В настоящее время развернуты две глобальные спутниковые навигационные системы, а именно, GPS и ГЛОНАСС. Однако уже функционирует региональная китайская система Бейдоу, запущены экспериментальные спутники европейской системы Галилео, действуют подсистемы функционального дополнения спутникового базирования (Satellite Based Augmentation System, SBAS) и наземного базирования (Ground Based Augmentation System, GBAS). Разрабатываются новые глобальные и региональные навигационные системы и подсистемы функционального дополнения. В табл. 1 приводится информация по существующим и планируемым ГНСС и их дополнениям. К 2015 г. ожидается функционирование примерно 80 спутников ГНСС, а общее количество сигналов достигнет 20 [Антонович 2006]. Таблица 1 –Компоненты ГНСС Навигационные Глобальные спутниковые системы NAVSTAR (США), ГЛОНАСС (Россия), Галилео (Евросоюз), COMPASS (Китай) Региональные QZSS (Япония), Beidou (Китай), IRNSS (Индия) Подсистемы функциональ- Глобальные Omnistar, StarFire, GDGPS, Fugro ного дополнения спутнико- Региональные WAAS (США), EGNOS (Евросоюз), вого базирования (SBAS) (широкозонные) MSAS (Япония), GAGAN (Индия) Подсистемы функциональ- Континентальные Australian GRAS, National Differential ного дополнения наземGPS (США) ного базирования (GBAS) Региональные CORS (США) и другие сети постоянно действующих активных станций, Российская дифференциальная подсистема RDP Локальные Опорные станции RTK (одиночные или сети) Самым важным оборудованием при выполнении ГНСС измерений являются приемники. Их характеристики и возможности влияют на доступную пользователю методику работ. На рынке существуют сотни различных типов спутниковой аппаратуры, и постоянно появляются новые модели приемников. Они становятся все более совершенными, быстродействующими, легкими, компактными и дешевыми. Уменьшается их энергопотребление, улучшается невосприимчивость к помехам. Они различаются по архитектуре, методу действия, по назначению. Для геодезических применений подходит только небольшая часть из их числа. В дальнейшем основное внимание в отношении структуры системы, характеристик сигналов и аппаратуры будет уделяться американской системе GPS в предположении, что российская система и другие ГНСС имеют аналогичное устройство, принцип действия и.т.п. 2. Спутниковые радионавигационные системы и их сигналы Каждая из СРНС состоит из трех подсистем: - подсистема космических аппаратов (ПКА или космический сегмент), которая состоит из самих спутников с передатчиками сигналов, необходимых для работы системы; - подсистема контроля и управления (ПКУ или наземный сегмент), которая включает наземные службы, выполняющие наблюдения за спутниками, вычисление орбит, и постоянный контроль, необходимый для управления ПКА; - подсистема аппаратуры потребителей (ПАП или пользовательский сегмент): спутниковые приемники, оборудование и вычислительная техника, которая обеспечивает пользователей результатами определения положения, скоростей и времени. Все спутники системы передают сигналы, которые могут приниматься на очень большой площади, в любом месте земного шара, в воздухе, или на море. Определять положения можно только тогда, когда над горизонтом пользователя находится несколько передающих спутников (обычно не менее четырех). Сигналы спутника дают возможность проводить измерения в реальном времени, а также передают данные, необходимые для работы приемника. Сигнал любого спутника обслуживает неограниченное количество пользователей, он не должен мешать другим системам, спутникам или службам. Методика измерения расстояний основывается на корреляции двух сигналов, а именно, принятого сигнала от спутника и его копии, созданной в приемнике. Основной принцип определения положения наблюдателя связан с решением линейной засечки по известным положениям спутников и одновременно измеренными расстояниями до нескольких спутников. В соответствии с проектами и ГЛОНАСС, и GPS должны состоять из 24 спутников (табл. 2), располагаясь в трех (ГЛОНАСС) или шести (GPS) плоскостях (рис. 1). Таблица 2. Характеристики систем ГЛОНАСС и GPS №№ Параметры ГЛОНАСС п.п. 1 Номинальное число спутников 24 2 Число орбитальных плоскостей 3 3 Наклонение орбиты 64.8 4 Высота полета над Землей 19100 км 5 Период обращения 11h15m40s 6 Система координат ПЗ-90.02 7 Опорная шкала времени UTC(SU) 8 Метод разделения сигналов частотный 9 Полоса первых частот L1 (МГц) 1602-1615 10 Полоса вторых частот L2 (МГц) 1246-1256 (7/9 L1) 12 Число элементов в дальномерном коде 511 13 Тактовая частота (МГц) 0.511 GPS 24 6 55 20183 км 11h57m58s WGS-84 UTC(US) кодовый 1575.42 1227.60 (60/77 L1) 1023 1.023 Рис. 1. Совместное созвездие ГЛОНАСС и GPS (http://www.novatel.glonass_overview.pdf). Система GPS. Спутники GPS передают свои навигационные сигналы на двух несущих частотах L-диапазона. На этих частотах сигналы являются высоко направленными и, следовательно, они легко блокируются непрозрачными предметами, а также отражаются твердыми телами и водной поверхностью. Частота L1=1575.42 МГц (длина волны =19 см), получается путем умножения частоты задающего генератора на 154 и модулируется C/A и P-кодами. Частота L2=1227.60 МГц (длина волны =24 см) получается умножением частоты задающего генератора на 120 и модулируется P-кодом. Третий гражданский сигнал, обозначаемой как L5, начал передаваться спутниками Блока IIF на частоте 1176.45 МГц (длина волны около 25.5 см). Коды C/A и P являются дальномерными кодами, они используются для измерения времени прохождения сигнала и последующего получения дальности = c . Передачи на двух (или трех) частотах позволяют уверенно определить ионосферную поправку и повысить точность измерений. Коды C/A (Clear Aquisition – полностью доступный) и P (Precise – точный) представляют собой бинарные коды, то есть последовательность из единиц и нулей. Они имеют характеристики случайного естественного шума, но в отличие от последнего легко воспроизводятся средствами электроники. Благодаря этому их удается выделить из общего шумового фона, а сами коды называют псевдо-случайными кодами (Pseudo Random Code). Каждому спутнику GPS соответствует своя последовательность кодов, по которой спутник отождествляется приемником. При этом необходимо, чтобы уровень сигнала превышал уровень шума в несколько раз (Signal to Noise Ratio, SNR). Оба кода формируются от генератора 10.23 Мгц, C/A-код – с делением частоты на 10, P-код - без изменения частоты. Поэтому один элемент P-кодовой последовательности имеет продолжительность около 100 нс, что соответствует 30 м, а у C/A-кода соответственно 1 мкс и 300 м. За счет интерполяции разрешающая способность может быть доведена по P-коду до 1 м, а по C/A-коду - до 10 м. P-код не повторяет сам себя в течение 267 суток, это дает каждому спутнику использовать свою уникальную недельную последовательность PRN. C/A-код повторяется каждую миллисекунду, поэтому в измерениях расстояния возникает неоднозначность, кратная 300 км. Навигационное сообщение GPS передается в течение 30 с и содержит 1500 бит данных, разделенных на 5 подкадров (рис. 2). Первые три подкадра содержат данные о спутнике, с которого ведется передача, два следующих подкадра - данные о других спутниках системы. Информация о спутнике включает данные о его состоянии, параметры часов, элементы орбиты и возмущения в них. Информация 4-го и 5-го подкадров содержит почти те же данные, но с меньшей точностью (альманах системы), а также параметры ионосферы для одночастотных потребителей и сдвиг шкалы системного времени GPST относительно времени UTC. Полная информация о системе содержится в 25 кадрах, образующих суперкадр, следовательно, она может быть получена в течение 12.5 мин. Рис. 2. Структура навигационного сообщения GPS. В каждом подкадре первыми двумя словами являются TLM и HOW. В отличие от другой информации слова TLM и HOW образуются самим спутником. В слове TLM (Telemetry Word) содержится преамбула и телеметрическое сообщение, которое указывает на состояние процесса загружаемой с наземного сегмента информации. Второе слово, слово передачи HOW (Hand Over Word) содержит 19 младших разрядов 29-разрядного Zотсчета. Десять старших разрядов являются двоичным представлением номера текущей недели GPS, счет которых ведется от полночи с 5 на 6 января 1980 г. Для ограничения доступа неавторизованным пользователям с 31 января 1994 г. передается зашифрованная версия Р-кода, называемая Y-кодом. Этот код получается сложением по модулю 2 P кода и секретного W кода. Частота W кода составляет около 500 КГц, то есть на один импульс W кода приходится 20 импульсов Р кода. Для уменьшения затухания сигналов передаваемые спутниками GPS радиоволны имеют правостороннюю круговую поляризацию [ICD-GPS-200C 2003]. Система ГЛОНАСС. Каждый КА системы ГЛОНАСС передает сигналы на собственных частотах в двух частотных поддиапазонах L1 и L2. На поддиапазоне L1 передаются сигналы стандартной и высокой точности. Сигнал стандартной точности с тактовой частотой 0.511 Мгц предназначен для всеобщего использования. Сигнал высокой точности на L1 модулирован специальным кодом и не рекомендуется к использованию без разрешения Министерства обороны РФ. На поддиапазоне L2 передаются сигналы, модулированные специальными кодами, и они не рекомендуются к несанкционированному использованию. Навигационный сигнал на частоте L1 является многокомпонентным фазомодулированным сигналом. Манипуляции осуществляются на 180 . Несущая частота модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием по модулю два псевдослучайного дальномерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного меандрового колебания. Основой для формирования компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты 5 Мгц. Псевдослучайный дальномерный код представляет последовательность максимальной длины регистра сдвига (М-последовательность) с периодом 1 мс и скоростью передачи символов 511 Кбит/с. Псевдослучайный дальномерный код снимается с 7 разряда 9-разрядного регистра сдвига. Код начального состояния сдвига соответствует наличию «1» во всех разрядах регистра. Начальным символом в периоде псевдослучайного дальномерного кода является первый символ в группе 111111100, повторяющийся через 1 мс. Сигналы спутников ГЛОНАСС, как и у спутников GPS, имеют правостороннюю круговую поляризацию [Глобальная … 2002; Болдин и др. 1999]. Подсистемы функциональных дополнений спутникового базирования SBAS являются сетями наземных опорных станций, из наблюдений на которых определяются корректирующие поправки за влияние атмосферы, часов и эфемерид спутников. Передача поправок потребителям производится через геостационарные спутники на той же частоте, что и у спутников GPS. Поправки SBAS обеспечивают оперативность, надежность и точность, необходимую для авиации и других применений. Использование тех же частот сигналов, что и у навигационных спутников, приводит к тому, что для приемников, имеющих каналы SBAS, не требуется дополнительное оборудование. При использовании сигналов SBAS ошибки координат уменьшаются в 5-10 раз, почти до метрового уровня, а иногда и лучше. Система WAAS (Wide Area Augmentation System) развернута на территории Северной Америки. Подобные системы работают в Европе (EGNOS, European Geostationary Navigation Overlay System) и в Японии MSAS (Multifunctional Transport Satellite-based Augmentation System). Подсистемы функциональных дополнений наземного базирования GBAS также являются сетями наземных опорных станций, но корректирующие поправки передаются по радиоканалам (модемная или телевизионная связь), или через мобильную телефонию, или через Интернет [Соловьев 2003, Антонович 2006]. 3. Псевдошумовые сигналы Чтобы нести информацию, такую как дальномерные коды и цифровая информация, простая синусоидальная волна должна модулироваться. В случае ГНСС модуляция делает возможным измерение расстояний посредством измерения времени прохождения модуляции, то есть дальномерных кодов. Дальномерные коды состоят из бинарных цифр 0 и 1. Эти бинарные цифры называются также чипами, битами или импульсами. Последовательность бинарных цифр в потоке передаваемых данных обычно является псевдослучайной последовательностью (ПСП), которая может выглядеть как случайный сигнал, но которая в действительности следует некоторой математической формуле и может многократно воспроизводиться средствами электроники. Такие сигналы называют псевдослучайными кодами (Pseudo Random Code). Они воспринимаются как случайный шум (вспомните «снег» на экране телевизора или шум в приемнике, когда нет передачи). Эфир пронизан такими шумами естественного или искусственного происхождения. Однако благодаря строгой закономерности образования ПСП, их удается выделить из общего шума, даже при их малой мощности (как разговор под гул самолета). Важным показателем ПСП является отношение сигнал/шум SNR. Приемник будет работать лучше при большем SNR. Псевдошумовые последовательности создаются с помощью сдвиговых регистров (СР) с обратной связью [Серапинас 2002; Конин 2006, Leick 1996]. Распространенный в ГНСС метод состоит в объединении двух бинарных потоков данных в один посредством сложения по модулю 2 и умножения по модулю 2. Сложение происходит по правилу: 1 1 = 0, 0 1 = 1, 1 0 = 1, 0 0 = 0. Правило умножения: 0 0 = 1, 1 0 = 0, 0 1 = 0, 1 1 = 1. На рис. 3 показаны два потока произвольных цифровых данных, (a) и (b), объединяемых в один поток (a+b) сложением по модулю 2. Предположим, что последовательность (а) представляет C/A или P(Y) дальномерный код с тактовой частотой соответственно 1.023 или 10.23 МГц, а поток (б) представляет навигационные данные с тактовой частотой 50 бит в секунду. Заметим, что поток навигационных данных и кодовый потоки имеют существенно различающиеся тактовые частоты, и что моменты передачи бита перехода согласованы. Тактовая частота в 50 бит в секунду подразумевает 50 возможностей в секунду для того, чтобы цифровой поток изменялся с 1 на 0 и наоборот. В течение одного чипа навигационного сообщения происходит 31508400 циклов несущей, 20460 чипов C/A кода заполняют один чип телеметрии, и необходимо 204600 чипов P кода, чтобы сделать то же самое. Таким образом, как только в 50-битовом потоке данных навигационного сообщения встречается бинарная 1, сложение по модулю 2 превращает 20460 смежных цифр C/A кода в обратный код, когда бинарная 1 становится 0 и наоборот. Бинарный 0 навигационного сообщения оставляет следующие 20460 C/A кодов неизмененными. Рис. 3. Сложение по модулю 2 двух псевдослучайных последовательностей. Нетрудно видеть, что в новом псевдослучайном коде отдельные части исходного кода остались неизменными, в других частях код сменился на обратный. Кроме того, если код (a+b) сложить по модулю 2 с кодом (a), то получим исходный код (b). Чтобы передавать информацию, на спутнике производится модуляция несущей кодовой последовательностью методом манипуляции фазовым сдвигом. В результате получается фазоманипулированная несущая, то есть та же несущая, но с резкими изменениями фазы (рис. 4). Предположим, что приемник принял несущую, промодулированную навигационным сообщением. Но ГНСС приемники могут создавать синусоидальный сигнал, в том числе и с частотой несущих колебаний. В результате демодуляции в приемнике будет получено исходное навигационное сообщение. Рис. 4. Модуляция несущей псевдослучайным кодом. К методу сложения по модулю 2 должен быть добавлен еще один дополнительный шаг, поскольку несущая L1 модулируется тремя потоками данных: навигационными данными и кодами C/A и P(Y). В этом случае возникает проблема наложения (суперпозиции) дальномерных кодов на поток навигационных данных. Две последовательных суперпозиции не являются единственными, потому что C/A код и P(Y) код имеют идентичные биты эпох перехода (хотя их длины различные). Решением является манипуляция с квадратурным фазовым сдвигом. Несущая делится на два компонента, один из компонент опережает другой на 90 . Один компонент модулируется суммой по модулю 2 навигационного сообщения и C/A кода, другой – суммой навигационного сообщения и P(Y) кода. Перед трансляцией оба потока объединяются в сумматоре (рис. 5). Рис. 5. Формирование радионавигационных сигналов L1 и L2 в системе GPS. 4. Общее устройство приемника Спутниковые приемники являются очень сложными электронными приборами, не случайно их часто называют «системами». В России к приемникам отечественного производства часто применяется термин «приемоиндикатор». Автор ставит целью не описание электроники приемника устройства, а объяснение принципов получения результатов измерений, необходимых для решения задач геодезии или навигации. Любой ГНСС приемник должен собирать и затем преобразовывать сигналы от спутников в измерения. Вращающийся вокруг Земли спутник передает этот слабый сигнал в конусе с раскрытием примерно 30 . Со спутника, имеющего высоту около 20000 км, конус охватывает всю планету. Спутник распространяет сигнал низкой мощности на большой площади. Сигнал мог бы полностью затенен множеством электромагнитных шумов, которые окружают нас, если бы он не был кодированным сигналом с широким спектром. Передаваемые спутниками сигналы намеренно занимают широкую полосу частот. Эти характеристики используются для предотвращения подавления сигналов, уменьшения многопутности и позволяют вести слежение за спутником. Прежде всего, приемник должен принять сигналы в том диапазоне, на который настроена его антенна, усилить их, выделить сигнал нужного спутника среди сигналов других спутников, сделать его захват и отслеживать на протяжении нужного времени. Затем ему нужно выполнить операции, обратные тем, которые выполнялись на спутнике в процессе закладки информации, то есть произвести демодуляцию и декодирование принятых сигналов, расшифровать переданное со спутника навигационное сообщение, произвести измерения необходимых величин и обработать их. При этом приемник может столкнуться с такими проблемами как защита от помех высокой мощности (например, от ионосферных возмущений), выделение секретного кода, ключа к которому у него может не быть, разрешение многозначности в измерениях и др. Приемник должен управлять всем процессом измерений, следить за состоянием других устройств, например, источников питания и памяти, состоянием созвездия спутников и обо всем информировать оператора. На рис. 6 показаны основные компоненты, общие для всех ГНСС приемников. Рис. 6. Блок-схема общего устройства геодезического приемника. Антенна и предусилитель. Антенна принимает радиоволны с правосторонней круговой поляризацией от спутников, находящихся над горизонтом. Ее главной функцией является преобразование электромагнитных волн в электрические токи, содержащие информацию о кодах и модуляциях потока данных. Очень важны размер и форма антенны, так как эти характеристики управляют, в частности, способностью антенны принимать радиоволны в нужном диапазоне частот и передавать в приѐмник очень слабые сигналы спутников ГНСС. Многие приемники имеют встроенные антенны, другие имеют внешние антенны, которые могут устанавливаться на штативе или монтироваться на транспортном средстве. Антенны, используемые для ГНСС приемников, имеют характеристики всенаправленных антенн, их не нужно наводить на источник сигнала. В случае геодезических измерений действительным определяемым положением является фазовый центр антенны, который должен быть корректно связан с координируемой наземной маркой. Внешние антенны соединяются с приемником коаксиальными соединительными кабелями, имеющими стандартную длину от 1,5 до 60 м. Обычно они поставляются изготовителем приемников. По этому же кабелю подается напряжение для электроники антенны. Одно из требований к кабелю – его морозоустойчивость. К сожалению, некоторые антенные кабели, как и кабели для питания, могут ломаться на морозе. Во многих современных приемниках вместо кабелей используют радиосвязь Bluetooth или WiFi(рис. 7). Рис. 7. Приемник ProMark-500 компании Magellan с внешней антенной [http://pro.magellangps.com/en/products]. Поскольку мощность сигналов от спутников очень мала, то сигнал на выходе антенны также имеет чрезвычайно малую величину. Усиление сигнала производится с помощью сверхвысокочастотного (СВЧ) малошумящего предусилителя, который обычно располагается в одном корпусе с антенной. СВЧ предусилитель состоит из устройства защиты входа и нескольких последовательно установленных усилителей и полосовых фильтров, обеспечивающих необходимую мощность сигнала и полосу пропускания. Опорный генератор и синтезатор частот. В качестве опорного генератора в приемниках используется генератор с кварцевой стабилизацией частот. Он обеспечивает относительную стабильность частот порядка 10-6 во всех цепях приемника, в том числе, при формировании временной шкалы для кодовых и фазовых измерений. Не случайно опорные генераторы часто называют «часами приемника». Для повышения стабильности кварц могут помещать в термостат. На постоянно действующих станциях вместо кварцевых генераторов не редко используются атомные и водородные генераторы частоты, обеспечивающие стабильность порядка 10-10 - 10-12 и выше. Синтезатор частот преобразует частоту опорного генератора в требуемый набор частот, например, L1 и L2 в двухчастотном GPS приемнике, необходимых для демодуляции принятых несущих, а также частот, необходимых для формирования дальномерных кодов. Радиочастотный блок и процессор. Блок радио частоты (РЧ) является сердцем приемника. После ввода сигнала от антенны в блоке радио частоты достигается распознавание сигналов по С/А кодам, которые, как ранее упоминалось, являются уникальными для каждого спутника GPS. Второй метод распознавания сигналов между спутниками заключается в отслеживании доплеровского сдвига, который обычно отличается у разных спутников. Одночастотный блок обрабатывает сигнал только на L1, в двухчастотных приемниках обработку проходят сигналы и L1 и L2. Обработка сигнала происходит легче, если частота прибывающих от антенны сигналов понижается до общего частотного диапазона. Чтобы выполнить это, входящая частота комбинируется с сигналом на гармонической частоте. Этот последний чистый синусоидальный сигнал является ранее упомянутым опорным сигналом, создаваемым генератором приемника. Две частоты умножаются в смесителе. Если в смеситель поступает два колебания y1, y2 с амплитудами а1, а2 и различными частотами f1, f2 и производится их перемножение, то на выходе смесителя получается две частоты, одна из них равна сумме двух входящих частот, а другая – их разности: y y1 y 2 a1 cos( f1t )a2 cos( f 2t ) a1a2 cos ( f1 2 f 2 t cos ( f1 f2 t . (1) Затем две частоты проходят через низкочастотный фильтр, который удаляет ненужную высокую частоту и оставляет более низкую из двух частот. Также он исключает некоторый шум из сигнала. Для слежения за P кодом этот фильтр имеет ширину полосы пропускания около 20 МГц, а для C/A кода - около 2 МГц. В результате получается сигнал с промежуточной частотой ПЧ, или сигнал частоты биений. Эта частота представляет собой разность между смещенной эффектом Доплера частотой несущей, которая приходит от спутника, и частотой, созданной собственным генератором приемника. Сигналы ПЧ содержат все модуляции, которые присутствуют в передаваемом сигнале, изменена только частота несущей Обычно есть несколько каскадов ПЧ, прежде чем ее копия посылается в отдельные каналы, каждый из которых извлекает информацию о коде и несущей для частного спутника. Каналы приемника. Сама антенна не сортирует информацию, которую она собирает. В приемник одновременно входят сигналы от нескольких спутников. Но в каналах радиочастотного блока неразделенные сигналы ПЧ идентифицируются и отделяются один от другого. Кроме того, сигнал переводится из аналогового представления в цифровое. Канал ГНСС приемника представляет собой устройство или комбинацию устройств и программного обеспечения, предназначенных для отделения одного сигнала от всех других. В любой заданный момент в канале может быть только одна частота от одного спутника. Типичное число для одночастотных приемников – 12 каналов. ГНСС приемник Triumph компании Javad имеет 216 каналов и может отслеживать спутники GPS, GLONASS, Galileo, Compass, QZSS, WAAS/EGNOS (рис. 8). Такие многоканальные приемники называют приемниками с параллельными каналами. Каждый канал позволяет оптимально измерять кодовую псевдодальность, фазу несущей и доплеровский сдвиг частоты сигналов указанных ГНСС. В каждом канале приемника Triumph используется 8уровневый аналого-цифровой преобразователь, благодаря чему погрешность измерений в петлях слежения составляет не более 5 мм для псевдодальности и 0.005 мм для фазы несущей. Но в менее совершенных приемниках погрешности измерения составляют около 1% от длины волны или чипа, то есть 3 м для C/A кода, 0.3 м для P(Y) кода и около 2 мм для фазы несущей. Рис. 8. Схема устройства приемника Triumph [www.geoprofi.ru/default.aspx?mode=binary&id=933]. Мультиплексные и последовательные каналы. В то время как приемник с параллельными каналами имеет распределенные отдельные каналы для приема сигналов от каждого спутника, мультиплексный приемник некоторое время собирает данные от одного космического аппарата (КА), затем переключается на другой КА и собирает еще данные, и т.д. Такой приемник обычно может выполнять это, достаточно быстро переключаясь, чтобы отслеживать все спутники одновременно. Если каналы GPS приемника не предназначены для непрерывного сопровождения сигналов или одной частоты только одного спутника, то его называют мультиплексным или последовательным приемником, а также быстро переключающимся приемником. Мультиплексный приемник должен назначать одну частоту от одного спутника одному каналу в момент, он только делает это время очень коротким. Например, один канал может использоваться для слежения сигнала от одного спутника всего 20 мс, оставлять этот сигнал и отслеживать другой сигнал в следующие 20 мс, а затем возвращаться к первому, или же переходить на третий (рис. 9). В противоположность мультиплексным приемникам, последовательные приемники работаю более медленно. Эти приемники также переключаются со спутника на спутник, но они собирают все данные от одного спутника, прежде чем переходить на следующий спутник. Поэтому, мультиплексный приемник переходит от спутника к спутнику с заранее определенными интервалами. Хотя мультиплексные и последовательные приемники в общем случае менее дорогие, они используется сегодня намного меньше, чем это было раньше. Для этого есть 4 причины. Приемники с параллельными распределяемыми каналами работают быстрее, имеют продолжительный захват фазы, у них обычно имеется избыточность для тех ситуаций, когда данные по какому-то спутнику оказываются неудачными, и они обрабатывают сигналы с более высоким SNR. Рис. 9. Схемы слежения в приемниках различной архитектуры. Процессор. Процессор приемника не только выполняет вычисления, такие как расчет эфемерид, определение углов высоты и азимутов спутников, вычисление координат и скорости наблюдателя (за что его часто называют «навигационным процессором»), но также контролирует функции слежения и измерений в цифровых цепях слежения. Блок контроля (управления) и дисплей. Этот блок позволяет оператору управлять и запрашивать функции микропроцессора. Его размеры и тип очень изменчивы, начиная от блока ручной клавиатуры и рядов мягких клавиш, окружающих жидкокристаллический экран, установленный на передней панели корпуса приемника, и кончая единственной кнопкой для включения и нескольких светодиодов. Имеется также много типов электронных интерфейсов для специализированных применений, включая графические дисплеи для показа карт, компьютер, генерирующий речевой вывод, и интерфейсы с другой аппаратурой, например, контроллерами, инерциальными системами и др. Записывающие устройства. В случае геодезических GPS приемников, измеренные данные должны храниться на некоторой подходящей среде для последующего вычисления базовых линий («пост-обработка»). В прошлом использовалось разнообразные устройства для хранения данных, включая кассеты и ленточные регистраторы, гибкие диски и компьютерные ленты, и т.д. В настоящее время почти все приемники используют либо жесткие диски (RAM), либо сменные «карточки памяти», либо флэш-карты, но они могут также быть подсоединяться непосредственно к компьютеру и данные могут записываться непосредственно на жесткий диск. Электропитание. Транспортабельные GPS приемники используют постоянный ток низкого напряжения. Наблюдается тенденция к уменьшению энергопотребления. Геодезические ГНСС приемники являются достаточно гибкими в отношении питания, они могут работать от внутренних никель-кадмиевых или литиевых батарей, камкордеровых или автомобильных аккумуляторов, и даже от сети через преобразователь напряжения [Hofmann-Wellenhof et al. 2008; Grewal et al. 2001]. 5. Измерение псевдодальности и фазы несущей В большинстве приемников первой процедурой обработки входящего сигнала спутника является синхронизация C/A кода, принятого от спутника на L1, с копией C/A кода, созданной самим приемником. Этот процесс известен как измерение фазы кода. Когда нет начального совпадения между кодом спутника и копией от приемника, то время приемника сдвигается и находится код, который он создает до тех пор, пока не наступает оптимум корреляции, то есть совпадения двух сигналов (рис.10). Затем петля слежения за кодом удерживает их совмещенными. Временной сдвиг , обнаруженный в этом процессе, является мерой времени прохождения сигнала от спутника до фазового центра антенны. Умножение этой временной задержки на скорость света c дает псевдорасстояние: P c . (2) Рис. 10. Измерение временной задержки по корреляции двух ПСП. Полученное псевдорасстояние (или псевдодальность) отличается от действительного расстояния тем, что часы в приемнике и на спутнике в общем случае не синхронизированы и идут с несколько разным ходом. Кроме того, скорость света в атмосфере отличается от его скорости в вакууме, поэтому измерения дальностей содержат систематические ошибки, которые необходимо исправлять. Поскольку чипы в последовательности кодов спутника генерируются в точно известные моменты времени, совмещение последовательностей кодов спутника и приемника также дает отсчет по часам спутника в момент генерации сигнала. Подобным образом измеряется P-кодовая псевдодальность, но из-за того, что последовательность Р-кода слишком длинная, цепи отслеживания Р-кода необходима помощь в установке ее генератора кодов близко к правильному месту для получения быстрого захвата сигнала спутника. Она получает эту помощь по Z отсчету, содержащемуся в слове HOW навигационного сообщения. Многозначность C/A кодовой псевдодальности. В C/A кодовой псевдодальности содержится многозначность. В отличие от целой многозначности, связанной с измерением расстояния по фазе несущей, эта многозначность просто разрешается приемником в радиочастотном блоке. Во всяком случае, напомним, что весь C/A код от любого спутника повторяется каждую миллисекунду. Время прохождения сигнала от приемника до спутника занимает от 66 до 87 миллисекунд. Поэтому здесь должно быть от 66 до 87 полных периодов C/A кода в переходе между спутником и приемником в любой заданный момент (рис. 11). Рис. 11. Период C/A кода укладывается в расстоянии до спутника от 66 до 87 раз. Иными словами, тактовая частота C/A кода, то есть темп, с которым каждый чип модулируется на несущую, равна 1.023 Мб/с. Это значит, что при скорости света длина одного чипа примерно 300 м. Но весь период C/A кода равен 1023 чипам, или 1 мс, то есть примерно 300 км. Эти повторяющиеся периоды C/A кода можно считать «линейками», простирающимися от спутника к приемнику. Каждая линейка имеет длину около 300 км с делениями в 300 м. Поэтому должно быть от 66 до 87 таких линеек между спутником и приемником. Таким образом, сырое наблюдение должно еще корректироваться путем добавления соответствующей величины, кратной 300 км, чтобы получить действительную псевдодальность. Это и есть целая многозначность C/A кода. Рис. 12. P код в расстоянии от спутника до приемника не имеет многозначности. В начале каждого из 5 подкадров навигационного сообщения есть HOW, hand over word, слово передачи. Каждое из этих слов HOW содержит Z отсчет первого бита данных последовательности TLM, telemetry word, слова телеметрии, в начале каждого следующего подкадра. Заметим, что это слово TLM – одно из 10 слов в подкадре. Как и все остальные слова, оно состоит из 30 бит данных, каждый них имеет длину в 20 мс. Начало этого 20-миилисекундного бита данных, в начале слова TLM, точно синхронизировано с началом одного из периодов C/A кода, одной из этих «линеек», о которой уже говорилось. Это старт разрешения многозначности, но поскольку каждый период бита данных имеет длину 20 мс, то в каждом из них будет по 20 периодов C/A кода. Но это произойдет, что в тот же самый момент счет X1 равен нулю. Коды X1 являются субкодами P – кода. Они генерируются с использованием четырех 12-битовых регистров: X1A, X1B, X2A и X2B. Достаточно сказать, что импульс счета на X1 имеет точно такую же длину, что и чип P кода, то есть 97.75 нс. Поэтому 10 импульсов X1, как и 10 чипов P кода, имеют точно такую же длину, что и один чип C/A кода. Важно вспомнить, что в каждом бите данных есть 20 периодов C/A кода, как указано ранее. Каждый из этих периодов C/A кода состоит из 1023 чипов. А каждый из них соответствует 10 последовательно пронумерованным импульсам. Поэтому, в тот самый момент, когда начинается 20-миллисекундный бит данных, начинается слово TLM, и начинается период C/A кода. Таким образом, многозначность C/A кода разрешается путем установки Z отсчета на величину HOW и импульса счета X1 на ноль в начале следующего подкадра навигационного сообщения. Если синхронизация бита данных GPS приемника установлена правильно в пределах 1 мс или менее, то время прохождения C/A кода будет однозначным и правильным. С другой стороны, если приемник совершает ошибку в своем выравнивании 1-миллисекундного периода C/A кода с 20-миллисекундным битом данных, то тогда импульс счета X1 будет иметь ошибку, кратную 1 мс; тогда обычная методика – пытаться вновь с изменениями на 1 мс в импульсе счета X1 [Grewal et al. 2001; ICD-GPS200C 2003]. 6. Измерение фазы несущей Как только приемник использовал навигационное сообщение и измерил псевдодальность по C/A коду, он также может выделить навигационное сообщение, прочитать эфемериды и информацию из альманаха, использовать время GPS, и для тех приемников, которые могут использовать P код, применяя слово передачи HOW на каждом подкадре как указатель для отслеживания точного кода. Но пока лишь несколько изготовителей нашли способы находить псевдодальности по P(Y) кодовым наблюдениям, поскольку зашифрованный Y код доступен только авторизованным пользователям. К сожалению, ни C\A кодовые, ни P кодовые псевдодальности удовлетворяют точности для большинства геодезических применений. Поэтому следующий шаг в обработке сигнала для геодезических приемников состоит в наблюдении фазы несущей. Как утверждалось ранее, как только они производят копию входящего кода, большинство приемников также производят копию входящей несущей волны. И основа измерений фазы несущей является комбинация этих двух частот. Напомним, входящий сигнал от спутника подвержен изменяющемуся доплеровскому сдвигу, в то время как копия в приемнике номинально постоянная. Процесс начинается после того, как псевдадальность по C/A коду измерена, и петля слежения кода закрыта. Путем смешения сигнала спутника с копией несущей исключаются все фазовые модуляции, и создаются две промежуточных частоты или частоты биений. Как упоминалось ранее, одна из них является суммой комбинируемых частот, а другая - разностью частот. С помощью низкочастотного фильтра выбирается последняя из них, разностная. Затем сигнал посылается в петлю слежения за фазой, где местный генератор непрерывно корректируется таким образом, чтобы точно следовать за изменениями в фазе несущей, когда изменяется расстояние между приемником и спутником. Получается наблюдение накопленной фазы биений несущей путем простого подсчета всех прошедших циклов (посредством подсчета «переходов через ноль» волны биений) и измерения дробной фазы захваченного сигнала местного генератора. Описанный здесь метод использует корреляцию по кодам, он обеспечивает все компоненты сигнала спутника: отсчет по часам спутника, навигационное сообщение и немодулированную несущую. Недостаток этого метода состоит в том, что необходимо знать псевдослучайные коды. Однако в случае шифрования P кода (режим Anti-Spoofing) эта возможность отсутствует. Тогда используются бескодовые или полубескодовые методы. Метод, в котором не используются коды, принесенные сигналом спутника, называется бескодовым слежением или квадратированием сигнала. Он не использует измерение псевдодальностей и полагается исключительно на наблюдения фазы несущей. Как и другие методы, он также зависит от создания промежуточной частоты (частоты биений). При квадратировании сигнала частота биений создается посредством умножения входящего сигнала на самого себя. В результате получается удвоенная частота, то есть длина волны уменьшается вдвое по сравнению с исходной. Другими недостатками этого метода является то, что в процессе квадратирования несущей с нее удаляются все коды, в том числе и навигационное сообщение, а также ухудшается отношения сигнал-шум, потому что при квадратировании несущей шум фона также квадратируется. Поэтому этот метод должен получать информацию, такую как альманах и поправки часов из других источников. Но квадратирование сигналов имеет также и положительные качества. Оно уменьшает влияние многопутности. Оно не зависит от PRN кодов и ему не мешает шифрование P кода. Этот метод работает и на L2, и на L1, и эта облегчает двухчастотную ионосферную коррекцию. Поэтому квадратирование сигналов может обеспечивать высокую точность даже на длинных базовых линиях. Метод кросс корреляции является также бескодовым. Он основан на том, что неизвестный Y-код идентичен на обеих несущих, что дает возможность проводить кросс корреляцию сигналов L1 и L2. Из-за того, что скорость распространения ради волны в атмосфере зависит от частоты, Y-код на L2 идет несколько медленнее, чем на L1. Временная задержка, необходимая для того, чтобы в приемнике сигналы L1 совпали с сигналами L2, равна разности во времени прохождения пути двумя сигналами. Задержка сигнала L2 изменяется и должна соответственно корректироваться, чтобы достигался максимум корреляции между сигналами L1 и L2. Полученные из процесса корреляции наблюдения представляют разности расстояний между двумя сигналами, полученными из временной задержки Y-кода на двух несущих, то есть PL2,Y PL1,Y , а разность фаз получается по несущей частоты биений. Выходы кросс корреляции можно использовать для вывода кодовой псевдодальности на L2 и фазы, образуя PL 2 PL1,C / A ( PL 2,Y PL1,Y ) (3) и L2 L1 L2 L1, C / A ( L2 L1 ) , (4) где нижние индексы в кодовых дальностях PL1,C / A и фазах L1,C / A показывают, что они получены через измерения С/А-кода сигнала L1. Корреляция по кодам с методом квадратирования является улучшенным методом квадратирования. Он включает корреляцию принятого Y кода сигнала L2 с локально созданной копией P кода. Эта корреляция возможна потому, что Y код происходит из сложения по модулю два P кода и W кода (кода шифрования). Поскольку тактовая частота W кода почти в 20 раз меньше частоты Y кода, то всегда существуют участки Y кода, которые идентичны соответствующим участкам исходного P кода. Поэтому копия P кода смещается таким образом, чтобы совместить участки Р кода с участками Y кода сигнала от спутника. После корреляции применяется низкочастотный фильтр посредством сужения полосы пропускания, а затем сигнал квадратируется, чтобы избавиться от кода. Этот метод обеспечивает кодовую дальность и фазу на половинной длине волны. Этот метод менее восприимчив к помехам, в нем меньше потери в SNR. Метод Z-слежения – это улучшенный полубескодовый метод. В этом методе Y код на сигналах L1 и L2 раздельно коррелируется с созданной в приемнике копией P кода. Поскольку корреляция производится раздельно, то W код получается на каждой частоте и затем удаляется из сигнала. Удаление кода шифрования приводит к таким же сигналам, что и без режима Anti-Spoofing. Таким образом, получаются кодовые дальности и фазы несущей на L1 и L2 с полной длиной волны. Заметим, что Y-кодовые псевдодальности имеют такую же точность, что и Р-кодовые псевдодальности. Все методs восстановления несущей L2 при наличии режима Anti-Spoofing страдают от последующего ухудшения в отношении сигнал-шум. Без исключения, никакой бескодовый или полубескодовый метод не восстанавливают информацию сигналов GPS, как метод корреляции по кодам. Кроме того, чем слабее сигнал, тем он более чувствителен к ионосферной активности и помехам, которые могут вызывать потерю захвата. Разрешение многозначности (неоднозначности) фазы. Многозначность фазы – это целое число длин волн, укладывающихся в расстоянии от спутника до фазового центра антенны приемника. Если многозначность удается разрешить, то это эквивалентно измерению расстояния с миллиметровым уровнем точности. Разрешение неоднозначности при длине волны в 20 или 24 см, соизмеримой с точностью определения ряда параметров уравнения наблюдений, таких как ионосферные и тропосферные задержки, многопутность и др., является чрезвычайно трудной задачей, без решения которой недостижима точность, соответствующая уровню шума измерений фазы. Многозначность уверенней разрешается, если имеются измерения P(Y)-кодовых псевдодальностей, что сужает объѐм поиска. Разрешение многозначностей фаз несущей выполняется в программном обеспечении для обработки спутниковых наблюдений и является процессом, определяющим точность измерений. В процессе разрешения анализируются остаточные невязки в измеренных фазах, координатах или в самих неоднозначностях. Разработано около 20 методов разрешения многозначности, их можно разделить на три группы. В первой группе методов используются свойства геометрии засечки пункта. При обработке данных фазы несущей от многих эпох постоянно изменяющаяся геометрия используется для нахождения наилучшего положения приемника. Эти методы работают достаточно хорошо, но зависит в значительной мере от движения спутника, а поэтому занимает время для достижения сходимости решения. Во второй группе методов используется фильтрация. Здесь усредняются независимые измерения для того, чтобы найти оцененное положение с самым низким уровнем шума. В третьей группе методов используется поиск через диапазон возможных целых комбинаций, и затем вычисляют одну с наименьшей невязкой. Во всех методы поиска и фильтрации широко применяются методы статистического тестирования. Эти методы не могут оценить правильность отдельного решения, но могут вычислить вероятность, данную определенными условиями, что ответ находится в указанных пределах. Наконец, большинство программ GPS обработки используют некоторые комбинации всех трех идей. Все эти методы сужают область путем начала оценки исходной позиции, обеспеченной кодовыми измерениями [Антонович 2006]. 7. Сравнение наблюдений псевдодальности и фазы несущей Мы рассмотрели общие принципы измерений спутниковым приемником по сигналам американской системы GPS в ее современном состоянии. Измерения по сигналам системы ГЛОНАСС отличаются тем, что выполняются на разных диапазонах частот для каждого спутника. Это приводит к определенным затруднениям при обработке фазовых наблюдений. Псевдодальности. Это расстояния между спутником и приемником, искаженные погрешностями часов спутника и приемника, влиянием атмосферы и другими источниками ошибок. Псевдодальности могут измеряться по стандартному коду ГЛОНАСС (C/A код в системе GPS) или коду повышенной точности (P код в GPS). Измерения псевдодальностей производятся мгновенно и могут выполняться с большой частотой. Каждое измерение не связано с остальными измерениями. Псевдодальности, измеренные на частотах L1 и L2 отличаются между собой из-за различия в ионосферных задержках. Шум наблюдений для псевдодальности по P(Y) коду составляет несколько дециметров, псевдодальность по C/A коду – наиболее грубая, еѐ шум около 3 м. Применение узкополосных корреляторов в геодезических приемниках снижает уровень шума почти на порядок. Наблюдения фазы несущей. Наблюдения фазы представляют отсчеты по счетчику циклов (целая фаза) с добавлением дробной части. Геометрически это соответствует измерению разности начального и текущего расстояния между спутником и приемником. Наблюдения фазы должны производиться непрерывно, блокирование сигналов приводит к потересчета циклов непрерывной фазы. Восстановление потерь счета циклов в наблюдении фазы является сложной задачей, особенно когда их много. В отличие от кодовых измерений каждое наблюдение фазы взаимосвязано с остальными измерениями данного спутника. При сохранении постоянного захвата сигнала спутника появляется возможность производить высокоточные кинематические измерения. Все наблюдения фазы для одного спутника содержат одну и ту же начальную целочисленную многозначность. Фазовые наблюдения имеют пренебрежимо малый шум, обычно порядка одного миллиметра. Наблюдения фазы на разных частотах могут быть сильно коррелированными из-за особенностей обработки фазы при освобождении от зашифрованного P кода, или могут относиться к фазе с половинной длиной волны (в приемниках с квадратурной обработкой сигнала). 8. Антенны Типы антенн. В ГНСС аппаратуре применяется несколько конструкций антенн, но сигналы спутников имеют настолько низкую плотность мощности, особенно после прохождения через атмосферу, что эффективность антенны очень важна. Антенны могут быть запроектированы для приема только частоты L1 или обеих частот L1 и L2, для одной системы, скажем GPS, или для нескольких систем. Антенна должна быть чувствительной к сигналам, имеющим правостороннюю круговую поляризацию. Большинство изготовителей ГНСС приемников используют микрополосковую антенну (рис. 12). Она образована двумя проводниками 1 и 3, разделенными диэлектриком 2. Верхний проводник – излучатель антенны, нижний – заземленная плоскость, 4 выходная линия передачи. Микрополосковая антенна может принимать в двух диапазонах частот. Такая антенна прочна, компактная, имеет малую массу и размеры, простую конструкцию и низкий профиль. а б Рис. 12. Схема устройства микрополосковой антенны (а) и ее внешний вид (б). Полосковый проводник располагается над металлической заземленной плоскостью на месте, соответствующем точке возбуждения круговой поляризации. Размеры излучателя подбираются близкими к половине длины волны. Две металлические пластины, полосковый проводник и заземленная плоскость, образуют резонатор электромагнитных колебаний, которые излучаются в верхнюю полусферу над излучателем. Реже применяются антенны виде спиралей или завитков. На рис. 6 показаны кваадрифиллярная и геликальная антенны. Такие антенны имеют хорошую диаграмму направленности, им не нужен отсекатель, но они не являются азимутально симметричными и имеют высокий профиль. Рис. 13. Квадрифиллярная (слева, вид сверху и сбоку) и геликальная антенны. ГНСС антенны должны принимать сигналы от спутников разных систем GPS, ГЛОНАСС, Галилео, COMPASS. Для этого они должны охватывать диапазон частот от 1.164 до 1.610 ГГц. Важно также, чтобы такие широкодиапазонные антенны имели фазовые центры, устойчивые к пространственным и частотным изменениям. Другое важное свойство ГНСС антенн – их невосприимчивость к многопутности или способность противостоять влиянию переотраженных сигналов. Многопутность возникает, когда на антенну поступает прямой сигнал и сигнал, отраженный от какоголибо предмета, что приводит к значительному ухудшению качества измерений. Один из приемов защиты от многопутности реализован в антеннах с заглушающими кольцами choke ring (рис. 14). а б в Рис. 14. Микрополосковые антенны с экраном choke ring: а. компании Trimble Navigation; б. компании NovAtel (антенна GNSS-750); в. та же антенна с обтекателем. Антенна компании Trimble Navigation имеет плоский экран, состоящий из четырех концентрических колец одинаковой высоты, расположенных вокруг антенного элемента на заземленном основании. Промежутки между кольцами (желобки) почти не оказывают влияния на прямой сигнал, но большое влияние на отраженный сигнал, идущий снизу. Электромагнитное поле отраженных сигналов вокруг заземленного основания антенны представляет сумму полей первичных и вторичных волн. Заземленное основание антенны гасит первичный и вторичный сигнал. Плоская кольцевая антенна оказывает влияние только на отдельную частоту, которая имеет резонансный режим. Антенна GNSS-750 имеет трехмерный конический кольцевой экран choke ring (рис. 7б). Кольца экрана имеют различную высоту и равномерные прорези по окружности каждого кольца, смещенные относительно прорезей соседних колец. Такая конструкция экрана позволяет повысить качество отслеживания сигналов спутников, расположенных близко к горизонту в отличие от плоского экрана. В антенне GNSS-750 используется ультраширокополосный антенный элемент Dorne Margolin, который является стандартом точности и стабильности фазового центра антенны. Параметры колец экрана антенны оптимизированы для совместного применения с большинством существующих приемников ГНСС геодезического класса [Янкуш, Андреева 2008]. Многие типы антенн, применяемые на постоянно действующих станциях, имеют защиту от снега и дождя, а также от птиц в виде обтекателей конической или сферической формы (рис. 14в), изготовленные из радио прозрачной пластмассы [Евстафьев, 2009]. Фазовый центр антенны. Диаграмма направленности коэффициента усиления антенны должна обеспечивать обзор почти по всей верхней полусфере. Но обычно делают обзор не на всю полусферу, потому что в большинстве геодезических применений происходит фильтрация сигналов от самых малых высот, чтобы уменьшить влияние многопутности и атмосферных задержек, которые для малых высот определяются менее уверенно. Кроме того, контуры равных фаз вокруг электрического центра антенны, то есть фазового центра сами не являются идеально сферическими (рис. 15), поскольку характеристики диаграммы направленности оказываются различными в разных направлениях верхней полусферы. Это явление приводит к несовпадению электрического фазового центра, от которого приемник производит измерения расстояний до спутников, с геометрическим (называемым также механическим или физическим) центром антенны, положение которого фиксируется относительно марки геодезического пункта. При наблюдении нескольких спутников для каждого из них на каждой частоте подразумевается свой фазовый центр. Заметим, что для идеальной (изотропной) антенны изменения фазового центра (phase center variations, PCV) равны нулю. Рис. 15. Фазовый и геометрический центры антенны [www.stadtentwicklung.berlin.de/internationales_eu/.../gnss/3_2_Schmitz.pdf]. Ориентировка антенны и измерение ее высоты. В процессе измерений в антенне существует целое облако виртуальных фазовых центров. Если на обоих концах базовой линии используются антенны одного типа и одного изготовителя, то действительное положение фазового центра обычно не столь важно, нужно только измерять высоту над маркой геодезического центра для одних и тех же точек снаружи антенн и ориентировать антенны в одном направлении. Для этого изготовители снабжают свои антенны опорными марками на корпусе антенны, чтобы их можно было устанавливать в одном азимуте, обычно на север. Если на базовой линии или в сети используются смешанные антенны разного изготовления или модели, то в этом случае в программном обеспечении для обработки данных необходимо иметь таблицы поправок в плане и по высоте для фазовых центров антенн по отношению к опорным точкам на антеннах или проходящим через них горизонтальным плоскостям (antenna reference point, antenna reference plane, ARP). В качестве опорных точек используют низ корпуса антенны (bottom of antenna mount), или черту на ее ребре и др. Эта информация зарисовывается и заносится в журнал наблюдений. Поправки к фазовому центру получают в процессе калибровки антенн. В настоящее время калибровки проводятся в специализированных службах в США и Германии. Влияние изменений в положении фазового центра на точное геодезическое позиционирование является очень важным. Особенности пункта наблюдений, длина сеанса наблюдений, ориентировка антенны, частота – все может влиять на определяемые координаты антенны. Максимальная величина влияния в плане может достигать нескольких миллиметров, а по высоте – до 10 см. 9. Программное обеспечение Используемые для обработки спутниковых наблюдений программы принято делить на коммерческое программное обеспечение, поставляемое производителями спутниковой аппаратуры, и многоцелевое научное программное обеспечение, которое происходит от разработчиков из научных организаций. Программы первой группы предназначены преимущественно для обработки данных от приемников определенного типа. Однако передовые пакеты принимают данные также через интерфейс формата RINEX (Receiver Independent Exchange – независимый обмен между приемниками). Как правило, математические модели этих продуктов в большинстве случаев пользователю недоступны. Коммерческие программы подходят для повседневной геодезической работы. Обычно они предлагают большое разнообразие возможных применений и могут достаточно легко управляться персоналом со средним уровнем инженерного образования в области спутниковых технологий. В некоторых случаях основная программа включает только решение базовых линий, а для уравнивания сети необходимо дополнительное программное обеспечение. Обычно этот вид программ позволяет делать обработку статических и кинематических измерений. Из коммерческих программ в России наиболее распространенными являются: Trimble Geomatics Office (TGO) и Trimble Business Center (TBC) американской компании Trimble Navigation, SKI-Pro и Leica Geosystems Office компании Leica Geosystems, Pinnacle компании Javad, Topcon Tools компании Topcon Positioning Systems и др. Разработка общецелевой системы для пост-обработки GPS представляется сложной задачей. Она требует несколько человеко-лет разработки и состоит из большого числа индивидуальных программ. Обычно эти программные пакеты не ограничиваются использованием одного типа приемников, а принимают данные от большого разнообразия геодезической аппаратуры. Эти пакеты в большинстве случаев служат для профессионального стандартного использования в небольших сетях для быстрой обработки, профессионального использования в высокоточных измерениях, а также на больших расстояниях, научного использования в исследованиях и образовании, и для обработки данных и научных исследований, включая геодинамические исследования и обработку массивов постоянно действующих станций. Кроме стандартных опций быстрой обработки эти виды программных пакетов предлагают многие виды особых альтернатив для научной обработки. Очень важны интерактивные операции. Некоторые пакеты включают опции для определения орбит или для оценивания атмосферных моделей. Научная обработка требует массу опыта и глубокое понимание сигналов GPS и поведение ошибок. Обработка данных особенно трудна, когда данные заражены ионосферными нарушениями, и когда требуется наивысшая точность на большом расстоянии по шумным данным. Математические модели научных программных пакетов общего назначения в большинстве случаев хорошо задокументированы и обсуждаются в научной литературе. В некоторых случаях пользователь имеет доступ к исходным модулям и может делать модификации или вставлять новые части. Считается, что в научных программах моделирование явлений выполняется на уровне точности в 1 мм, в то время как в коммерческих программах – 5 мм. В настоящее время примерами программ второй группы являются: BERNESE – разработана в Университете Берна, Швейцария, · программа GAMIT GLOBK, разработанная в Массачусетском институте технологий, США; GEONAP – разработана в Университете Ганновера, Германия, GIPSY-OASIS II – разработана в Лаборатории реактивного движения, США. Нужно заметить, что в отличие от коммерческих программ, использование перечисленных программ может потребовать значительного вклада времени, чтобы понять программу и как наилучшим образом ее использовать при различных обстоятельствах. Известно несколько других программ, но они имеют тенденцию ограничиваться институтами, где были написаны. К ним можно отнести программы PAGES (Национальная геодезическая служба США), GRAPE (Институт прикладной астрономии, Россия). Некоторые программы допускают обмен файлами решений базовых линии либо в формате фирмы-разработчика, либо в едином формате SINEX (Solution Independent Exchange – независимый обмен решениями) [Антонович 2005, 2006]. 10. Точность и поверки спутниковой аппаратуры Можно выстроить следующую примерную шкалу спутниковых приемников в зависимости от их возможностей: - кодовый приемник для навигации по стандартному коду GPS или ГЛОНАСС, - кодовый приемник для навигации по точному коду GPS или ГЛОНАСС, - кодо-фазовый приемник (с неполным разрешением фазы), - фазовый одночастотный приемник, - фазовые двухчастотные (или трехчастотные) приемники, работающие по одной или нескольким ГНСС. Кодовая аппаратура обеспечивает уровень точности порядка 1-10 м и для точных геодезических работ непригодна. Кодо-фазовые приемники обеспечивают дециметровый уровень точности и могут применяться для топографических съемок, кадастра и т.п. Паспортная точность измерений фазовой спутниковой аппаратурой обычно характеризуется средними квадратическими погрешностями измерения расстояний между пунктами D (или погрешности определения планового положения) и погрешности измерения разности геодезических высот Н, которые состоят из постоянной части и части, зависящей от расстояния D: D a b D, (5) H a (6) b D. Постоянный член можно рассматривать, например, как ошибку центрирования или ошибку измерения высоты антенны (соответственно влияние в плане и по высоте). С теоретической точки зрения, остаточные тропосферные и ионосферные ошибки и ряд других ошибок сказываются на результатах позиционирования величиной, которая возрастает с увеличением длины базовой линии. Для современных геодезических спутниковых приемников величина a составляет 3 – 5 мм, а величина b - 1 10-6 – 0.5 10-6. Погрешности для высоты, как правило, в два раза больше. Кроме того, приведенные погрешности относятся к методу наблюдений, который принято называть «статикой». В этом методе приемники находятся неподвижно, накапливая данные в течение длительного времени. Однако существуют и другие методы, такие как быстрая статика, кинематика стой-иди, непрерывная кинематика, в которых погрешности измерений будут значительно больше из-за того, что некоторые погрешности наблюдений не будут исключаться. Характерно, что точность одночастотной и двухчастотной аппаратуры практически одинаковая. Преимущество двухчастотной аппаратуры в том, что она пригодна для наблюдений на длинных базовых линиях, то есть на расстояниях в тысячи километров. Одночастотная аппаратура обеспечивает точность на расстояниях 10 – 15 км и лишь иногда – до 30 км. Реальная точность наблюдений будет ниже, если перед началом полевых измерений не выполнить поверку аппаратуры. Для ГНСС измерений обычно достаточно поверить оптический центрир, с помощью которого антенна устанавливается над центром знака. Визирная ось центрира при выведенном на середину пузырьке уровня должна совпадать с отвесной линией. Методика этой поверки хорошо известна геодезистам, и мы не будем на ней останавливаться. Дополнительные ошибки может вызывать люфт переходника в трегере, несоосность удлинителя для установки антенны и переходника. При выполнении высокоточных работ эти источники ошибок должны непременно устраняться. Если при наблюдениях используется бипод или бинога (веха с подставками), то для нее также необходимо делать поверку круглого уровня. Чтобы убедиться в исправности приемника можно выполнить один простой тест, это – нулевая базовая линия. Это измерение делается, когда два или больше приемников подсоединяются к одной антенне [Антонович 2005]. Комплект аппаратуры должен иметь свидетельство о метрологической поверке, подтверждающее паспортные данные прибора (аппаратуры) на период полевых работ, которая выполняется в специализированных службах. Список литературы Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст] : в 2 т. – М. : Картоцентр, Новосибирск : Наука. – 2005. – 334 с. – 2006. – 360 с. Болдин, В.А. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС [Текст] / В.А. Болдин, В.И. Зубинский, Ю.Г. Зурабов и др. Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. – 2-е изд., исправ. – М.: ИПРЖР, 1999. – 560 с. Генике, А.А. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии [Текст] / А.А. Генике, Г.Г. Побединский. – М.: Картоцентр: Геодезиздат, 1999. – 272 с. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейс. контрол. док. (редакция 5.0) [Электронный ресурс] – М.: Координац. науч.-информ. центр ВКС России, 2002. – 57 с.– Режим доступа: http://www.glonass-center.ru Евстафьев, О.В. Наземная инфраструктура ГНСС для точного позиционирования [Текст] / О.В. Евстафьев. – М. : ООО «Издательство «Проспект», 2009. – 48 с. Конин В.В. Спутниковые системы и технологии. [Электронный ресурс] / В.В. Конин. – 2006. – 245 с. – Режим доступа: www.twirpx.com/user/905294/ Серапинас Б.Б. Введение в ГЛОНАСС и GPS измерения: Учеб. пособие. / Серапинас Б.Б. – Ижевск: Удм. гос. ун-т, 1999. – 93 с. Соловьев, Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения./ Ю.А. Соловьев.– М. : Эко-Трендз. – 2003. – 326 с. Янкуш А.Ю. Широкодиапазонная антенна ГНСС NovAtel GNSS-750 [Текст] / А.Ю. Янкуш, К.Ю. Андреева // Геопрофи. – 2008. – № 6. – С. 35 – 37. Hofmann-Wellenhof, B. GNSS - Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more [Text] / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle – Wien, NewYork: Springer. – 2008. – 516 p. – Англ. Grewal, M.S. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration [Text] / M.S. Grewal, L.R. Weill, A.P. Andrews. – New York, Chichester, Weinheim, Brisbane, Singapore, Toronto: John Willey & Sons, Inc. – 2001. – 392 p. – Англ. Interface Control Document ICD-GPS-200C. 10 Oct. 1993- 14 Jan. 2003 – 198 p. – Англ. – [Electronic resource]. – Режим доступа: http://www.navcen.uscg.gov/pubs/ gps/icd200/default.htm Leick A. GPS Satellite Surveying [Text] / A. Leick. - New York: A Willey-Interscience Publication. – 1995. - 560 p. - Англ.