Спутник GPS - это платформа, несущая комплекс оборудования, обеспечивающего энергопитание спутника, возможность корректировки орбиты и работоспособность. Питание обеспечивают солнечные батареи и аккумуляторы. Орбиту корректируют с помощью двигателей небольшой мощности.
Термин работоспособность означает способность выполнять функции, возложенные на спутник. Спутник имеет антенну и приемник для приема сигнала со станций закладки информации. Спутник имеет бортовой компьютер для запоминания информации, для ее трансляции и для координации работы спутника в целом. Ритм работы всей аппаратуры задают четыре цезиевых и (или) водородных стандарта частоты и времени. Частота колебаний стандартов равна 10,23 Мгц. Именно из этих колебаний путем умножения частоты, ее деления или преобразования гармонического колебания в кодовый сигнал получают все остальные сигналы спутника - несущие и модулирующие (кодирующие). Спутник имеет передатчик и антенну для передачи сигнала пользователю системы. На спутнике расположена также аппаратура стабилизации и ориентации, другая аппаратура.Известны три класса спутников: Block I, Block II и Block IIR. Спутники Block I каждый весом в 845 килограммов запускали с 1978 по 1985 год с базы военно-воздушных сил в Калифорнии. Использовали ракету Atlas F. Заложенная в конструкцию продолжительность жизни спутника составляла 4,5 года. Некоторые спутники функционировали почти в три раза дольше. Угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора у спутников этого класса составлял 63 градуса. У запущенных позже спутников - 55 градусов. Спутники этого класса являлись в некотором смысле пробными, хотя полностью выполняли возложенные на них функции. Спутники следующей серии Block II были предназначены для создания операционного созвездия.
Первый спутник Block II, стоящий примерно 50 миллионов долларов и весящий более полутора тонн, был запущен 4 февраля 1989 года космическим центром имени Кеннеди с военно-воздушной базы Мыс Канавералл . штат Флорида, США. Использовали ракету-носитель Delta II. Конструкционная продолжительность жизни спутника этого класса составляла 6 лет, хотя некоторые спутники могли функционировать и 10 лет, поскольку на это время хватало запаса расходуемых материалов, в основном топлива. Различие между Block I и Block II связано с национальной безопасностью США. Сигнал спутника Block I был полностью доступен гражданскому пользователю, тогда как некоторые сигналы Block II ограничивают эту доступность.
Спутники класса Block IIR, практически полностью заменившие в настоящее время ранее запущенные, имеют конструкционную продолжительность жизни в 10 лет. Буква “R” означает модификацию или замену. На борту имеются водородные мазеры взамен рубидиевых и цезиевых стандартов частоты, установленных на спутниках предшествующих классов. Каждый спутник весит более двух тонн, стоит около 25 миллионов долларов. Запускают эти спутники с помощью Шаттла. Режим работы таков, что гражданский пользователь имеет к сигналу спутника еще меньший доступ. Более подробно о режиме ограничения доступа сказано в разделах 3.1 и 3.3.3.1. Структура сигнала спутника
Основой работы системы является точное измерение времени и временных интервалов. Термин точное означает, что для достижения наивысшей точности используют все доступные средства. На главной станции управления и контроля, а также на каждом спутнике установлены наиболее точные из существующих сейчас цезиевые и водородные стандарты частоты и времени. Частота колебаний стандарта равна 10,23 Мгц. Все колебания и сигналы спутника получают из этой частоты путем когерентного преобразования: умножения и деления частоты опорного генератора - стандарта частоты и времени. Два колебания несущей частоты получают умножением частоты опорного генератора на соответствующий коэффициент. Колебание L1=1575,42 МГц получают умножением на 154. Колебание L2=1227,60 МГц получают умножением на 120. Измерения на двух несущих частотах используют для реализации дисперсионного способа учета влияния ионосферы и для облегчения процедуры разрешения многозначности фазовых измерений.
Несущие колебания модулируют кодовыми сигналами: С/А-кодом и Р-кодом. При этом Р-кодом модулируют оба несущих колебания; С/А-кодом модулируют только колебания первой несущей частоты. Тактовая частота Р-кода равна частоте колебаний опорного генератора. Тактовую частоту С/А-кода получают делением частоты колебаний опорного генератора на десять. О кодах написано в разделе 3.3. Кроме того, несущие колебания модулированы навигационным спутниковым сообщением.
3.2. Навигационное сообщение, эфемериды
Навигационное сообщение называют также спутниковым сообщением или навигационным спутниковым сообщением . В англоязычной терминологии - это navigation massage. Встречается даже название информационное сообщение, хотя, по определению, любое сообщение не может не содержать информации. Далее для краткости будем использовать термин сообщение .
Сообщение содержит информацию в объеме 1500 бит и передается за 30 секунд. Но не вся информация передается в этот краткий отрезок времени. Например, альманах передается в течение нескольких сообщений, об альманахе см. далее. Сообщение содержит пять блоков (кадров, подкадров, по-английски - subframes). Каждый блок транслируется в течение 6 секунд и содержит 10 слов. Каждое слово содержит 30 бит.
Каждый блок начинается с телеметрического слова - telemetry word (TLM). Оно содержит синхронизирующий формат и диагностическое сообщение - сообщение или часть сообщения о статусе спутника и системы в целом. Далее идет ключевое слово - hand-over word (HOW). Этот термин можно перевести как слово, передаваемое из рук в руки. По смыслу - HOW - это временная метка.
Первый блок содержит параметры часов спутника и коэффициенты модели ионосферы. Параметры часов - это поправка и ход часов спутника относительно GPST. Информацию о параметрах модели ионосферы используют только при работе с одночастотными приемниками. Если есть двухчастотный приемник, то применяют дисперсионный способ.
Второй и третий блок содержат эфемериды спутника, транслирующего данное сообщение. Эти эфемериды называют широковещательными. Их получают из результатов наблюдения спутников с пяти станций слежения.
Наблюдение спутников станциями слежения, первичная обработка результатов, передача их на главную станцию управления и контроля, обработка результатов там, передача их на станции закладки информации и сама закладка требуют времени. Следовательно, хранящиеся в памяти бортовых компьютеров и транслируемые широковещательные эфемериды в момент их трансляции уже устарели. Поэтому транслируемые эфемериды - это результат предсказания, экстраполяции. По этой же причине эфемериды закладывают в память бортовых компьютеров спутников как можно чаще - примерно каждый час.
Четвертый блок зарезервирован для передачи служебной информации. Приемники гражданских пользователей не имеют возможности регистрации этой информации.
Пятый кадр содержит альманах спутников и информацию о состоянии системы. Альманах - это приближенные эфемериды спутников системы и данные о здоровье каждого спутника. Каждый спутник каждые 12,5 минут транслирует информацию о созвездии спутников. Чтобы получить альманах до начала наблюдений и использовать эти данные на этапе планирования необходимо выставить приемник на любое открытое место, подержать его там включенным минут 15-20, выключить и перекачать данные на офисный компьютер. В процессе наблюдений свежий альманах получают вообще без дополнительных затрат времени.
Эфемериды спутника - это полный набор данных об орбите спутника и о положении спутника на орбите. Пользователя GPS интересуют геоцентрические координаты спутника в системе WGS84 в момент ухода сигнала с этого спутника. Аппаратура пользователя вычисляет координаты спутника, используя данные, содержащиеся в файле эфемерид. Эфемеридная информация отнесена к референцному (опорному,исходному) моменту
t o, этот момент указан в файле эфемерид . В сообщении приведен также AODE (Age of Data) - “возраст” эфемеридных данных, то есть интервал времени, прошедший с момента закладки данных в память бортового компьютера. Напомним, что параметры эфемерид являются оскулирующими и относятся к референцному моменту. Далее конспективным образом перечислена информация, содержащаяся в широковещательных эфемеридах.| - корень квадратный из большой полуоси эллипса орбиты. Именно корень квадратный из большой полуоси входит в формулу для вычисления орбитальных координат спутника по его эфемеридам; кроме того, информация о корне квадратном из полуоси требует меньше места в сообщении, чем информация об оси. | |
| е | - эксцентриситет орбиты |
| W | - прямое восхождение восходящего узла орбиты спутника |
| W ` | - скорость изменения прямого восхождения восходящего узла орбиты спутника |
| i | - угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора |
| i` | - скорость изменения угла наклона |
| М о | - средняя аномалия на референцный момент |
| D n | - отклонение значения среднего движения от предвычисленного |
| C uc и C us | - амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в аргумент широты |
| C rc и С rs | - амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в радиус орбиты |
| C ic и С is | - амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в угол наклона орбиты. Формулы для возмущений оскулирующих элементов учитывают только влияние на движение спутника сжатия Земли |
3.3. Вычисление орбитальных координат по эфемеридам
Рассмотрим, как используют эфемериды спутника для вычисления его прямоугольных координат Х о и Y о в экваториальной системе координат на момент наблюдений. Формулы (1) являются конечным этапом решения задачи.
Х о = r cos u , Y o = r sin u . (1) Отсюда видно, что задача сводится к определению на момент наблюдений радиуса орбиты r спутника и аргумента широты u . Момент наблюдений t получают из фиксации момента прихода на приемник временной метки. В качестве исходной информации используют также значение одной из фундаментальных геодезических постоянных m - произведение гравитационной постоянной на массу Земли . В WGS84 m =3,986008· 10 14 м/сек 2 . Процедуру вычисления орбитальных координат разделяют на четыре этапа. На первом этапе вычисляют истинную аномалию V . Порядок вычислений следующий. Вычисляют временной интервал D t , прошедший от референцной исходной эпохи t o до момента t наблюдений :D t=t-t o.
Вычисляют приближенное значение среднего движения n o = (m /a- 3 )- 1/2. Вычисляют уточненное значение среднего движения n=n o +D n. Вычисляют среднюю аномалию M=M o +nD t. Используя уравнение Кеплера M=EsinE, вычисляют эксцентрическую аномалию Е . И окончательно на этом этапе вычисляют истинную аномалию V , используя формулы : cosV=(cosE-e)/(1-ecosE) и sinV=(1-e- 2 sinE)- (1/2)/(1-ecosE). На втором этапе вычисляют значение аргумента широты U. Порядок вычислений следующий. Вычисляют приближенное значение аргумента широты U o =V+w . Вычисляют поправку в приближенное значение аргумента широты за влияние сжатия Земли на орбиту спутника по формуле : D U=C uc cos2U o + C us sin2U o. Напомним, что коэффициенты С содержатся в эфемеридах. Смысл индексов при этих коэффициентах состоит в следующем. Индекс U означает, что вычисляется именно аргумент широты U. Индексы С и S означают, что они стоят соответственно при косинусоидальном и при синусоидальном членах. Далее такая система индексации сохранена. Окончательно на этом этапе вычисляют уточненное значение аргумента широты U=U o +D U. На третьем этапе вычисляют радиус r о рбиты спутника. Порядок вычислений следующий. Вычисляют приближенное значение радиуса орбиты, используя формулу : r o =a(1-ecosE). Вычисляют поправку в радиус орбиты за сжатие Земли : D r=C rc cos2U o + C rs sin2U o. Смысл нижних индексов тот же, что и на предшествующем этапе. И окончательно на этом этапе вычисляют уточненное значение радиуса орбиты: r=r o +D r. Координаты спутника, полученные по широковещательным эфемеридам, могут содержать ошибку порядка 100 метров. Причины столь невысокой точности следующие. Во-первых, широковещательные эфемериды по своей сути являются результатом предсказания орбиты, то есть это - экстраполированные эфемериды. Во-вторых, при их вычислении учитывают только один, правда, наиболее существенный, фактор, возмущающий орбиту спутника - влияние сжатия Земли. Неучет остальных факторов ведет к падению точности при сколько-нибудь длительной экстраполяции. И в-третьих, для неавторизованного пользователя эфемериды намеренно загрубляют.3.4. Коды
Несущие колебания спутника манипулированы по фазе кодовыми сигналами. Вернемся к рассмотрению кодов, начатому в разделе 3.1.
По статистическим характеристикам коды являются случайными, следовательно образуют широкополосный сигнал. Длина когерентности такого сигнала мала, поэтому при корреляционной обработке получают узкий и единственный главный максимум функции корреляции. В свою очередь, это позволяет однозначно и с высокой точностью измерять временную задержку в кодовом режиме. Приемно-регистрирующая аппаратура, не “знающая” закономерности формирования кода, воспримет сигнал спутника как шумовой, случайный. На самом деле коды формируют закономерно, хотя вид закона сложен. По причине сказанного сигнал спутника называют псевдошумовым, а коды - псевдослучайными.
Существуют два вида измерительных кодов. Легко доступный, легко обнаруживаемый, широковещательный код - С/А-code - Coarse Acquisition code. Точный P-code - Precision code. Спутник имеет индивидуальный С/А-код, повторяющийся каждую миллисекунду. Приемник идентифицирует и захватывает сигнал спутника на частоте L1 легко, поскольку эта частоте модулирована С/А-кодом. Гораздо сложнее дело обстоит с захватом сигнала спутника на частоте L2 , то есть на второй несущей частоте. С/А-код на нее не подают, так что захват сигнала и последующие наблюдения возможны только в Р-коде. Это затрудняет работу пользователя и это затруднение намеренно заложено в структуру системы.
Спутнику в данную эпоху присущ Р-код, повторяющийся через неделю. В то же время, системе присущ весь Р-код в целом. Длительность Р-кода системы равна 266,4 суток. Другими словами, весь длинный Р-код системы разделен на недельные отрезки, интервалы. Каждый отрезок в данную эпоху приписан конкретному спутнику. Изначально доступ к Р-коду имели только авторизованные пользователи, в основном, американские военные. Сейчас аппаратура практически всех пользователей имеет доступ к Р-коду. Этот доступ осложнен тем, что Р-кодовый сигнал подвергнут дополнительному кодированию (шифрованию) так называемым Y-кодом. Как сказано в литературе, сделано это для того, чтобы предотвратить возможность нарушения работы системы путем внешнего вмешательства. Такой режим работы назван Anti-Spoofing (AS) - режим противодействия несанкционированному воздействию. Он сводится именно к использованию Y-кода. В свою очередь, Y-кодирование - это обмен недельными отрезками Р-кода между спутниками в последовательности, известной лишь персоналу, управляющему системой. Если эта последовательность неизвестна пользователю, то есть его приемник не содержит соответствующего чипа, то отсутствует возможность захватить сигнал в Р-коде на второй несущей частоте и дорогой и высокоточный двухчастотный приемник может работать только как одночастотный. Производители аппаратуры, однако, тем или иным путем преодолели эти трудности, например, заплатив за возможность установки в приемники соответствующих чипов. Поэтому представляется, что необходимость в Y-кодировании отпала.
Наблюдения в С/А-коде называют Standard Positioning Servise (SPS) - стандартной службой позиционирования. Навигационные координаты в этом режиме определяют с ошибкой 100-200 метров. Наблюдения в Р-коде называют Precise Positioning Servise (PPS) - служба определения точного местоположения. Навигационные координаты в этом режиме определяют с ошибкой порядка 10-20 метров.
Точность определения местоположения в навигационной системе ограничена из-за влияния различных факторов. Их можно разделить на две группы. Ошибки в расчётах местоположения спутников и влияние атмосферы (тропосферы и ионосферы) на скорость радиосигнала.
Как уже говорилось, навигационные спутники играют роль радиомаяков, передавая сигналы точного времени и свои координаты. Стоит отметить, что спутники ничего не знают о своём местоположении. Их координаты определяет сектор управления и в результате рассчитывает орбитальные характеристики – эфемериды. Эти эфемериды (набор численных коэффициентов) загружаются на спутник, который передаёт их вместе с остальной навигационной информацией. Приёмник GPS принимает сигнал со спутника и рассчитывает его координаты, используя полученный набор орбитальных коэффициентов. Эти коэффициенты (эфемериды) ведущая станция уточняет несколько раз за день по мере необходимости. Но тем не менее, расчётные координаты получаются неточными. Местоположение спутника определяется с ошибкой. Почему?
Если бы Земля имела форму шара с равномерной по глубине плотностью и других воздействий на спутник не было, то он двигался бы строго по одному и тому же эллипсу в соответствии с Первым законом Кеплера. Но форма Земли отличается от шара, кроме того, на спутник действуют Солнце и Луна, а также негравитационные факторы. Поэтому параметры эллипса непрерывно изменяются. Это приводит к ошибкам в расчётах. Вот таблица различных воздействий на спутник в порядке их убывания (А.Л. Генике, Г.Г. Побединский «Глобальные спутниковые системы …», 2004):
Таблица 1 . Влияние различных возмущений на движение навигационного спутника
Первое по списку – центральное поле Земли. Благодаря ему спутник и движется по эллипсу с ускорением 0,565 м/с 2 . Такое ускорение свободного падения на высоте 20,2 тыс. км. Гравитация – это всегда притяжение, поэтому первой (дипольной) поправки у гравитационного поля нет. Идёт сразу вторая зональная гармоника. Она вносит возмущение в 10 тысяч раз меньше: 5,3×10 – 5 м/с 2 . В результате за 1 час спутник может отклонится на 300 метров от расчётной траектории. А за 3 часа – уже на 2 км, так как ошибка возрастает нелинейно.
Гравитационное влияние Луны на порядок меньше, Солнца – ещё в 2 раза меньше. Из негравитационных воздействий на первом месте стоит солнечная радиация (солнечный ветер). Гравитационные аномалии вызваны неравномерным распределением масс внутри Земли (см. фото вверху). Они за час отклоняют спутник на 6 см. Лунные и солнечные приливы также вносят свой вклад в перераспределения масс на поверхности Земли. Несмотря на свою относительную малость, они за два дня могут отклонить спутник от расчётной орбиты на 2 метра.
Управляющий сектор ориентируется на эти данные, но не использует их в своих расчётах. Все эфемериды рассчитываются исключительно исходя из наблюдений. При расчёте орбитального движения принято считать, что спутник движется строго по эллипсу, словно бы и нет никаких возмущений. Эта орбита называется оскулирующей. Через малый промежуток времени параметры орбиты изменяются, и спутник движется по другому эллипсу. И так далее. Таким образом весь эффект от возмущений сводится исключительно к непрерывному изменению параметров оскулирующего эллипса.
Благодаря многочисленным наблюдениям за движением спутников, ведущая станция подбирает математическую модель, которая способна рассчитать это движение с наименьшими ошибками. Численные коэффициенты модели (эфемериды) регулярно обновляются и загружаются на спутники три раза в день. Кроме этого, эфемериды уточняются каждый час.
Важно отметить, что навигационная система постоянно развивается. Координаты опорных станций уточняются. Используя опорные станциями с более точными координатами, можно более точно определить эфемериды спутника и так далее.
Тем не менее, современные ошибки в определении эфемерид спутников приводят к ошибкам в расчёте их координат на уровне 10-20 метров. На первый взгляд, это кажется много. Это так, если определять координаты местоположения абсолютным (прямым) способом. Но в навигационной системе используется дифференциальный (относительный) способ определения местоположения (см. здесь). Благодаря этому способу удаётся повысить точность определения координат в сто раз и более.
Такая точность уже достаточна даже для проведения большинства геодезических работ. Но, скажем, для изучения движения земной коры, требуется ещё более высокая точность. В этих случаях используются не эфемериды, передаваемые по радиоканалу спутника, а их существенно уточнённые значения, полученные в результате последующих наблюдений. Длительные наблюдения за орбитами спутников позволяют уточнить значения эфемерид в прошлом. Эти уточнённые значения накапливаются в специальном банке, действующем в США при национальной геодезической службе (NGS).
И хотел бы внести свою лепту в это дело. В одном из комментариев к вышеупомянутой статье мельком задевается разговор про эфемеридные теории, такие как DE и прочие. Однако таких теорий существует множество и мы разберём одни из самых значимых на мой взгляд.
Что это такое?
Для того чтобы точно рассчитывать положения небесных тел, нужно учитывать как можно больше возмущающих факторов. Аналитического решения для системы более двух нету (исключение - частные решения Лагранжа), поэтому уравнения движения тел решают численно, но даже с учётом относительно новых методов численного интегрирования (таких, как метод Эверхарта) процедура эта очень затратна, и если достаточно точное решение на небольшой промежуток времени под силу среднестатистическому ПК, то интегрирование на глобальных временных диапазонах - сложная и трудоёмкая задача. поэтому проблему решили следующим образом: найти положения небесных тел при помощи интегрирования и аппроксимировать эти положения какой-нибудь функцией, и на выходе получить коэффициенты для этой функции. Именно набор этих коэффициентов и называют, как правило, эфемеридной теорией.DE
Наверное это самые популярные теории движения небесных тел. Появление этой теории связано с развитием космической техники и необходимости точного рассчёта положения планет для миссий АМС. На сегоднешний день существует огромный список версий этой теории. Самая популярная из них - DE405. Об этой теории можно почитать здесь: http://ssd.jpl.nasa.gov/?planet_eph_exportКоэффициенты разделены на временные блоки, т.е. для отдельной эпохи - отдельные коэффициенты.
Формула для этих коэффициентов - полином Чебышева . К слову, именно полином Чебышева один из самых подходящих для создания эфемеридной теории. Принцип работы с такими полиномами описан в книге О. Монтебрука - «Астрономия на персональном компьютере» (Rutracker.org)
Где получить?
Всё это лежит на ftp сайта NASA. В текстовом формате ASCII:ftp://ssd.jpl.nasa.gov/pub/eph/planets/ascii/Здесь, наверное, стоит кое-что прокомментировать. Зайдя, к примеру, в эту папку , мы увидим файл примерно следующего вида: ascp1600.403, несложно понять, что это коэффициента на эпоху 1600 года, а версия теории DE403.
В таких файлах есть три столбца- каждый из них соотвествует координате в пространстве.
Однако, посмотрев на размер этих файлов, станет понятно, что использовать их в работе не удобно. Поэтому есть их бинарные версии: ftp://ssd.jpl.nasa.gov/pub/eph/planets/bsp/
Как применить?
Вот мы и получили необходимый нам бинарник, но вот вопрос: чтос ним делать? К счастью, на ftp есть примеры реализации программ на разных языках: ftp://ssd.jpl.nasa.gov/pub/eph/planets/VSOP 87
Эта теория, конечно не такая популярная, как предыдущая, однако, именно её я могу рекомендовать для начинающих. Есть главный недостаток этой теории - в ней описанны положения только планет и Солнца. Вид формулы в этой теории - тригонометрический ряд.Где получить?
Это проще простого, просто зайти на сайт и выбрать в найстройках нужный язык, формат данных.Именно в простоте получения и заключается главное приемущество этой эфемериды.
Имея готовый код, думаю многие из нас уже могут с ним что-либо сделать. Но, если всё же нужна небольшая подсказка по нему, то можете обратиться сюда
EPM
Про эту эфемеридную теорию очень мало упоминаний. Она создана в Институте Прикладной Астрономии РАН. Существуют 3 версии этой теории, соотвественно EPM 2004, EPM 2008, EPM 2011.Где получить?
Исходники находятся на ftp ИПА РАН: ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/Data/ . Название папки соотвествует версии теории. В каждой теории имеется соотвественно бинарник и текстовой файл, как это реализовано в DE. И здесь также текстовые файлы весят довольно много, поэтому стоит пользоваться бинарникамиКак применить?
Именно эта теория, похоже одна из смых сложных в реализации. Тем не мнее, её разработчики позаботились о нас и привели несколько примеров на разных языках: ftp://quasar.ipa.nw.ru/incoming/EPM/ .Теория сама построена на полиномах Чебышева, они тоже довольно хорошо описанны .
Заметки о точности
Стоит отметить, что не все теории наиболее точны. Наименее точная из всех, выше перечисленных - VSOP87. DE и EPM довольно точны, стоит отметить, что последняя учитывает релятивиские эффекты. Однако, почти для всех прикладных задач, которые я до сих пор решал, использовалась VSOP 87, дело в том, что хоть её точность хромает, но тем не менее, это не заметно при сопоставлении с элементарными наблюдениями (может быть отклонения на десятые, сотые угловой секунды).В заключение
Немного скажу в дополнение, по поводу теории EPM. Об этой теории я узнал из личного разговора, она известна в довольно узких кругах, и ей пользуется немного пользователей, видимо это как-то связано с незаинтересованностью института в распространении этой теории в широких кругах, иного объяснения мне в голову не приходит, ибо она вполне конкурентно способна по отношении в другим теориям.Что такое астрологические таблицы эфемериды? Для чего они необходимы? В астрономии эфемеридой называют таблицу небесного местонахождения Луны, Солнца, планет и иных космических объектов, вычисленных через одинаковые отрезки времени. К примеру, на двенадцать часов ночи каждых суток.
Звёздными эфемеридами называют таблицы, в которых указано видимое положение звёзд, подвластное влиянию нутации, процессии и аберрации. Также эфемеридой называют формулу, с помощью которой рассчитывают момент прихода мгновения следующего момента минимума для затемнённых переменных систем звёзд.
Применение
Как используются таблицы эфемерид? С помощью них определяют координаты наблюдателя. Этим термином также именуют данные положения синтетических спутников Земли, применяемые для навигации, к примеру, в системе NAVSTAR (GPS), Galileo, «Глонасс».
Сведения о месторасположении спутников преподносятся в составе особых сообщений. При данных обстоятельствах говорят о передаче эфемерид.
Исторические издания
Известно, что в 1474 году Региомонтан издал свои знаменитые таблицы эфемерид в Нюрнберге. В этом труде находились эфемериды на 1475-1506 год, которые были рассчитаны на каждый день. Эта книга содержала таблицы положений планет, условия соединения светил и затмений.
Современные издания
Сегодня таблицы эфемерид публикуются в важнейших астрологических сборниках: «Астрономический ежегодник» (издаётся РАН с 1921 года), Nautical Almanac, American Ephemeris, Berliner Astronomisches, Connaissance des Temps. Кроме того, существуют сайты, с помощью которых можно рассчитать эфемериды. Их создают как энтузиасты, так и профессионалы.
Так, известно, что на сайте «НАСА» Эспеньяк Фред опубликовал данные положения планет солнечной системы, Луны и Солнца на 1995-2006 год. А на сайте «Института расчёта эфемерид и небесной механики» имеется калькулятор координат космических объектов. Кроме того, существует библиотека, с помощью которой можно на листе Excel провести астрономические подсчёты, используя эфемериды Швейцарии, JPL и Мошьера.
Расчёт
Таблицы эфемерид находятся на вооружении у каждого астролога. Сегодня движение объектов вокруг Солнца изучено очень хорошо. Разными астрологическими объединениями созданы математические формы для вычисления эфемерид, соперничающие между собой по точности. Эти образцы описаны в особых астрономических изданиях.
Старая теория
Версия ILE является улучшенной теорией Брауна. Она впервые предложена Э. У. Брауном в 1919 году в его работе «Таблицы перемещения Луны», которая была усовершенствована У. Дж. Экертом в 1954 году в работе «Улучшенная лунная эфемерида». В дальнейшем в теорию ещё несколько раз вносились изменения.
Эта модель ранее использовалась Ф. Эспеньяком для вычисления затмений, предоставленных сайтом «НАСА».
Новое решение
Версия VSOP82 описывает перемещение планет вокруг Солнца. Она предложена в 1982 году П. Бретаньоном и напечатана в астрологическом альманахе «Астрофизика и астрономия» под названием «Теория перемещения всех планет - решение VSOP82».
Ещё одна версия
Версия ELP 2000 описывает лишь эфемериды Луны. Она напечатана в астрологическом сборнике «Астрофизика и астрономия» в 1983 году М. Шапрон-Тузэ и Ж. Шапрон, а также в статье «Эфемериды Луны ELP 2000». Данная теория содержит 7 684 периодических члена для эклиптической широты Луны, 20 560 - для эклиптической долготы и 9 618 - для расстояния. Амплитуда младших членов соответствует 2 см для дистанций и 0,00001 секунды дуги. В упрощённом виде модель применяется Ф. Эспеньяком для вычисления затмений, обнародованных на сайте «НАСА».
Публикации СССР
А что можно сказать об отечественной астрологии? На основе версии DE200/LE200 публиковал эфемериды Луны, Солнца и планет «Астрологический ежегодник СССР» (начиная с 1986 года).
Модель лаборатории JPL
Версия DE403/LE403 описывает перемещение планет вокруг Солнца и делает акцент на координатах Луны. Её разработали сотрудники лаборатории JPL Стэндиш, Уильямс, Ньюхолл и Фолкнер. Она опубликована в статье «Лунные и планетарные эфемериды JPL DE403/LE403» (1995 г.) в специальном издании указанной лаборатории. Сегодня существуют новые таблицы эфемериды, разработанные JPL.
Удобные таблицы
Положение планет обсчитано звездочётами на много лет вперёд, а результаты вычислений переведены в таблицы. В них находятся данные видимых позиций планет, которые вычисляют с помощью компьютера, руководствуясь законами механики космоса. Положения небесных объектов в таблицах указаны с конкретным шагом, обозначающим отрезок времени между двумя связанными мгновениями, на которые выполняется вычисление. Удобно применять следующие таблицы с шагом в одни сутки:
- Американская таблица эфемерид Михельсона для XXI века с 2001 по 2050 год и для ХХ века с 1900 по 2000 год.
- Розенкрейцеровские эфемериды (1900-2000 год).
- таблицы Рафаэля (позиции планет на каждый год).
Известно, что в эфемеридах Михельсона положение небесных объектов дано на гринвичскую полночь каждых суток, а данные представлены помесячно. На каждой странице размещены величины долготы планет на два месяца в виде пары блоков (Longitude).
ГОСТ Р 56410-2015
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Глобальная навигационная спутниковая система
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ
Общие требования к центрам точных эфемерид
Global navigation satellite system. Methods and technologies of geodetic works. General requirements for precise ephemeris centers
ОКС 07.040
Дата введения 2016-01-01
Предисловие
1 РАЗРАБОТАН Акционерным обществом "Научно-технический центр современных навигационных технологий "Интернавигация" (АО "НТЦ "Интернавигация"), Федеральным государственным бюджетным учреждением высшего профессионального образования "Московский государственный университет геодезии и картографии" (МИИГАиК) и Федеральным государственным бюджетным учреждением "Федеральный научно-технический центр геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных"
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 363 "Радионавигация"
3 УТВЕРЖДЕН И ВВЕДЕН В ДЕЙСТВИЕ Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 28 мая 2015 г. N 456-ст
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Правила применения настоящего стандарта установлены в
ГОСТ Р 1.0-2012 (раздел 8). Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодном (по состоянию на 1 января текущего года) информационном указателе "Национальные стандарты", а официальный текст изменений и поправок
- в ежемесячном информационном указателе "Национальные стандарты". В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ближайшем выпуске ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты". Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования
- на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет (www.gost.ru)
1 Область применения
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на методы и технологии выполнения геодезических работ с использованием глобальных навигационных спутниковых систем и устанавливает общие требования к центрам точных эфемерид.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы нормативные ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ 22268-76 Геодезия. Термины и определения
ГОСТ Р 52928-2010 Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения
ГОСТ Р 53864-2010 Глобальная навигационная спутниковая система. Сети геодезические спутниковые. Термины и определения
Примечание - При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования - на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодному информационному указателю "Национальные стандарты", который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по выпускам ежемесячного информационного указателя "Национальные стандарты" за текущий год. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана недатированная ссылка, то рекомендуется использовать действующую версию этого стандарта с учетом всех внесенных в данную версию изменений. Если заменен ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, то рекомендуется использовать версию этого стандарта с указанным выше годом утверждения (принятия). Если после утверждения настоящего стандарта в ссылочный стандарт, на который дана датированная ссылка, внесено изменение, затрагивающее положение, на которое дана ссылка, то это положение рекомендуется применять без учета данного изменения. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, рекомендуется применять в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины, обозначения и сокращения
3.1 В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 22268 , ГОСТ Р 53864 , ГОСТ Р 52928 .
3.2 В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:
ВГС - высокоточная геодезическая сеть Российской Федерации;
ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система Российской Федерации;
ГНСС - глобальная навигационная спутниковая система;
СГС-1 - спутниковая геодезическая сеть 1 класса;
СКП - среднеквадратическая погрешность;
ФАГС - фундаментальная астрономо-геодезическая сеть Российской Федерации;
ЦТЭ - центр точных эфемерид;
Final эфемериды - финальные эфемериды, вычисляемые в IGS;
GPS - глобальная навигационная спутниковая система Соединенных Штатов Америки;
IERS - международная служба вращения Земли и систем координат;
IGS - международная служба ГНСС;
РРР - высокоточное местоопределение;
Rapid эфемериды - срочные эфемериды, вычисляемые в IGS;
RINEX - обменный формат файлов данных спутниковых навигационных приемников, не зависящий от типа приемника;
SP3 - стандартный формат орбитальной информации;
Ultra-Rapid эфемериды - сверхсрочные эфемериды, вычисляемые в IGS.
4 Общие положения
4.1 Точные эфемериды спутников ГНСС содержат сведения о местоположении спутника на орбите, получаемые после проведения траекторных измерений и описывающие его реальное движение.
4.2 Точные эфемериды спутников ГНСС должны обеспечивать:
- построение государственных спутниковых геодезических сетей (ФАГС, ВГС, СГС-1), а также закрепление, распространение и уточнение принятых систем координат;
- определение пространственного положения объектов в государственных системах координат с высокой точностью (несколько миллиметров СКП) при решении геодезических задач на большие расстояния (до нескольких тысяч километров);
- эффективное применение дифференциальных систем, основанных на относительных (разностных) координатных определениях, в целях точной навигации, когда допустимая погрешность навигационных определений в режиме реального времени не должна превышать 1 м или даже меньших значений;
- реализацию современных методов определения координат по наблюдениям спутников ГНСС с использованием технологии РРР, позволяющих определять местоположение в режиме реального времени с СКП от 0,1 до 0,2 м.
4.3 Обеспечение потребителя точными эфемеридами осуществляется центрами точных эфемерид.
Примерная схема типового ЦТЭ приведена на рисунке 1.
Рисунок 1 - Схема центра точных эфемерид
5 Требования назначения
5.1 Центр точных эфемерид предназначен для вычисления и предоставления потребителю точных эфемерид спутников ГНСС ГЛОНАСС, включающих оперативно уточненные (сверхсрочные), уточненные (срочные) и точные (финальные) эфемериды, а также накопление и предоставление спутниковых измерений пунктов ФАГС в формате RINEX.
При определении эфемерид используются фазовые измерения, выполненные двухчастотной геодезической спутниковой аппаратурой на постоянно действующих пунктах ГНСС-наблюдений (пункты ФАГС).
5.2 Основные задачи ЦТЭ:
- оперативное получение измерительной информации по каналам электронной связи с пунктов ФАГС и международных пунктов ГЛОНАСС/GPS-наблюдений (в т.ч. пунктов IGS);
- обработка и декодирование измерительной информации с целью контроля качества поступивших измерений, выявления грубых ошибок и перевода измерительных файлов в общий формат, необходимый для последующего вычисления определяемых параметров;
- накопление результатов наблюдений в исходном или первично обработанном виде (ведение архива данных);
- анализ и математическая обработка ежесуточных файлов измерений со всех станций сети с целью вычислений орбитальных параметров спутников ГНСС и параметров вращения Земли с разрешением от нескольких часов до двух суток;
- уточнение бортовых эфемерид;
- совместная обработка полученных данных и вычисление точных эфемерид спутников ГЛОНАСС;
- оформление и выдача потребителям данных с точными эфемеридами по каналам связи;
- вычисление координат и скоростей движения пунктов ФАГС и IGS с разрешением (1-3) мес;
- информационное взаимодействие с международными центрами анализа, входящими в состав IGS, IERS и др. для обмена данными с целью контроля и возможного кооперирования в определениях точных эфемерид ГЛОНАСС;
- осуществление научной и аналитической деятельности, включающее разработку и согласование форматов представления и методик обработки спутниковой информации.
6 Требования к аппаратно-программному обеспечению
6.1 Аппаратная часть ЦТЭ включает:
- сервер, обладающий достаточно высоким быстродействием, большим объемом оперативной и дисковой памяти и средствами выхода во внешние сети через Интернет;
- автоматизированные рабочие места обработки данных на базе персональных компьютеров, объединенные локальной вычислительной сетью;
- средства архивации и долговременного хранения данных;
- средства отображения выходных данных и подготовки возможных бюллетеней для потребителей;
- аппаратура резервирования, обеспечивающая бесперебойную работу ЦТЭ.
6.2 Программно-математическое обеспечение ЦТЭ включает следующие компоненты:
- программы управления локальной вычислительной сетью, которая обеспечивает согласованную работу всех средств ЦТЭ;
- набор программ управления аппаратурой обмена данными по внешним каналам;
- программы обслуживания базы данных;
- программы обработки результатов наблюдений и вычисления эфемерид спутников;
- программные средства для математической обработки результатов наблюдений и вычислений параметров вращения Земли;
- программы подготовки выходных данных для потребителей;
- программы, обеспечивающие функционирование сайта ЦТЭ.
7 Требования к выходным данным
7.1 В состав выходных данных ЦТЭ входят эфемериды спутников ГНСС следующих видов:
- оперативно уточненные (аналог Ultra-Rapid эфемерид);
- уточненные (аналог Rapid эфемерид);
- точные (аналог Final эфемерид).
7.2 Эфемериды, выдаваемые ЦТЭ, вычисляются по измерениям, выполненным на постоянно действующих пунктах ГНСС-наблюдений мировой сети и пунктах ФАГС. Распределение пунктов наблюдений по земному шару, по возможности, должно быть равномерным. Постоянно действующие пункты наблюдений (пункты ФАГС) должны иметь точные координаты в геоцентрической системе координат, величина средней квадратической погрешности взаимного положения пунктов составляет порядка (0,01-0,03) м.
7.3 Задержка по времени выдачи составляет:
- для оперативно уточненных (сверхсрочных) эфемерид - от 3 до 9 ч;
- для уточненных (срочных) эфемерид - от 17 до 41 ч;
- для точных (финальных) эфемерид - от 12 до 18 сут.
7.4 Точные эфемериды должны обеспечивать определение координат спутников ГНСС с точностью порядка (0,05-0,10) м.
7.5 Результаты вычисления эфемерид представляются в виде файлов в формате SP3 , принятом в международных и национальных центрах спутниковых данных.
7.6 Файлы измерений пунктов ФАГС, хранятся в базе данных и предоставляются потребителю в одной из версий формата RINEX , .
7.7 Вычисленные эфемериды размещаются на сайте ЦТЭ, а также предоставляются потребителю по Интернет-адресу или по запросам.
Библиография
Стандартный расширенный формат орбитальной информации SP3-с (версия 3) |
|
RINEX: Аппаратнонезависимый формат обмена данными (версия 2.11) |
|
RINEX: Аппаратнонезависимый формат обмена данными (версия 3.02) |
УДК 629.783::006.354 | |
Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система, центр точных эфемерид, общие требования, постоянно действующий пункт, спутниковая геодезическая сеть |
|
Электронный текст документа
подготовлен АО "Кодекс" и сверен по:
официальное издание
М.: Стандартинформ, 2015