- •Предисловие ко 2-му изданию
- •Введение
- •Раздел 1. Основные принципы действия спутниковых систем определения местоположения
- •1.1. Особенности геодезических измерений спутниковыми методами
- •1.2. Двусторонний и односторонний методы дальномерных измерений
- •1.4. Общие принципы построения глобальных спутниковых систем позиционирования
- •1.5. Космический сектор
- •1.5.1. Краткие сведения о спутниках, входящих в состав систем позиционирования
- •1.5.2. Назначение и схемная реализация устанавливаемой на спутниках аппаратуры
- •1.5.3. Высокостабильные спутниковые опорные генераторы
- •1.5.4. Принципы формирования кодовых последовательностей
- •1.5.5. Содержание и формирование на спутнике навигационного сообщения
- •1.5.6. Методы объединения и формы передачи радиосигналов со спутника в аппаратуру потребителя
- •1.6. Сектор управления и контроля
- •1.6.1. Основные функции сектора
- •1.7. Сектор потребителя (приемно-вычислительный комплекс)
- •1.7.1. Функции геодезического приемно-вычислительного комплекса
- •1.7.2. Обобщенная структурная схема геодезического спутникового приемника
- •1.7.4. Селекция сигналов, поступающих от различных спутников
- •1.7.6. Принципы демодуляции принимаемых сигналов
- •1.7.7. Краткие сведения о работе системы управления GPS-приемника
- •Раздел 2. Методы измерений и вычислений, используемые в спутниковых системах определения местоположения
- •2.1. Абсолютные и относительные методы спутниковых измерений
- •2.2. Основные разновидности дифференциальных методов
- •2.4. Принцип измерения псевдодальностей и практическое использование данного метода
- •2.5. Упрощенный анализ фазовых соотношений при спутниковых дальномерных измерениях
- •2.6. Первые, вторые и третьи разности, базирующиеся на фазовых измерениях несущих колебаний
- •2.6.1. Первые разности
- •2.6.2. Вторые разности
- •2.7. Интегральный доплеровский счет
- •2.8. Принципы разрешения неоднозначностей при фазовых измерениях
- •2.8.1. Геометрический метод
- •2.8.3. Метод поиска наиболее вероятных значений целого числа циклов
- •2.8.4. Нетривиальные методы разрешения неоднозначности
- •2.9. Выявление пропусков фазовых циклов
- •2.10. Общая схема обработки наблюдаемых данных
- •Раздел 3. Системы координат и времени, используемые в спутниковых измерениях
- •3.1. Роль и значение координатно-временного обеспечения для спутниковых методов определения местоположения
- •3.1.2. Краткие сведения о системах отсчета времени, используемых в GPS и ГЛОНАСС
- •3.2. Координатные системы, характерные для GPS и ГЛОНАСС
- •3.2.1. Звездные системы координат
- •3.2.2. Геодезические системы координат и их преобразования
- •3.2.3. Переход к общеземной системе координат
- •3.2.4. Геоцентрическая координатная система ПЗ-90
- •3.2.5. Геоцентрическая координатная система WGS-84
- •3.3. Методы преобразования координатных систем для спутниковой GPS-технологии и параметры перехода
- •3.4. Особенности определения высот с помощью спутниковых систем
- •Раздел 4. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния
- •4.1. Классификация источников ошибок, характерных для спутниковых измерений
- •4.3. Учет влияния внешней среды на результаты спутниковых измерений
- •4.3.1. Влияние ионосферы
- •4.3.2. Влияние тропосферы
- •4.3.3. Многопутность
- •4.4. Инструментальные источники ошибок
- •4.4.1. Ошибки, обусловленные нестабильностью хода часов на спутнике и в приемнике
- •4.4.2. Ошибки, обусловленные неточностью знания точки относимости
- •4.5. Геометрический фактор
- •4.6. Причины и методы искусственного занижения точности GPS-измерений
- •Раздел 5. Проектирование, организация и предварительная обработка спутниковых измерений
- •5.1. Специфика проектирования и организации спутниковых измерений
- •5.2. Предполевое планирование в камеральных условиях
- •5.2.1. Составление технического проекта
- •5.4. Вхождение в рабочий режим и контроль за ходом измерений
- •5.5. Завершение сеанса наблюдений. Хранение собранной информации. Ведение полевого журнала
- •5.6. Специфика редуцирования результатов спутниковых измерений при внецентренной установке приемников
- •Раздел 6. Обработка спутниковых измерений, редуцирование и уравнивание геодезических сетей
- •6.1. Первичная обработка спутниковых измерений, производимая в приемнике
- •6.2. Предварительная обработка спутниковых измерений, производимая после окончания измерений
- •6.3. Окончательная обработка спутниковых измерений
- •6.3.1. Окончательная обработка спутниковых измерений по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников
- •6.3.2. Окончательная обработка спутниковых измерений по специально разработанной программе
- •6.4. Уравнивание геодезических сетей, созданных на основе использования спутниковой технологии
- •6.4.1. Уравнивание по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников
- •6.4.2. Уравнивание по специально разработанной программе
- •6.4.3. Уравнивание спутниковых измерений как сетей трилатерации
- •Раздел 7. Использование спутниковых технологий для построения геодезических сетей
- •7.1. Построение глобальной опорной геодезической сети
- •7.2. Построение континентальных опорных геодезических сетей
- •7.3. Построение государственной геодезической сети России на основе спутниковых технологий
- •7.3.1. Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС)
- •7.3.2. Высокоточная геодезическая сеть (ВГС)
- •7.3.3. Спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1)
- •7.4.3. О необходимости координации работ по созданию государственной и городских геодезических сетей
- •7.4.4. Разработка проекта «Инструкции по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS»
- •Раздел 8. Специальные применения спутниковых геодезических измерений для решения различных геодезических задач
- •8.1. Решение геодинамических задач
- •8.2. Применение спутниковых технологий в прикладной геодезии
- •8.4. Выполнение аэросъемочных работ с использованием спутниковых координатных определений
- •8.5. Использование спутниковых технологий при выполнении топографических и различных специализированных съемок
- •8.6. Особенности решения навигационных задач с использованием спутниковых приемников
- •8.6.1. Персональные навигационные системы
- •8.6.2. Навигационные системы транспортных средств
- •Заключение
- •Словарь англоязычных терминов
- •Список литературы
- •Содержание
Сектор управления и контроля состоит из центральной (ведущей) станции и нескольких разнесенных на большие расстояния станций слежения, причем некоторые из них выполняют роль и загружающих станций. Основная цель этого сектора состоит в осуществлении контроля за работоспособностью спутников, систематическом уточнении эфемерид каждого спутника и параметров принятой модели атмосферы, корректировке показаний часов, установленных на каждом спутнике, периодическом обновлении содержания навигационного сообщения и организации передачи такого сообщения с помощью загружающих станций на каждый из обслуживаемых спутников.
Сектор потребителя объединяет в себе всю совокупность широко распространенной аппаратуры пользователей, с помощью которой осуществляется прием радиосигналов от спутников и вычисление на их основе интересующих потребителя конечных результатов, характеризующих, в частности, местоположение пункта наблюдений и характерное для той или иной эпохи точное время, а при установке приемной аппаратуры на движущемся объекте - скорость его перемещения и направление движения. Упомянутая аппаратура позволяет также определить и целый ряд других вспомогательных параметров.
1.5. Космический сектор
Особенности построения и функционирования космического сектора неразрывно связаны с общими требованиями, которые предъявляются ко всей спутниковой системе позиционирования. В частности, первоначальное назначение рассматриваемых систем GPS и ГЛОНАСС, которые разрабатывались по заказу министерств обороны США и бывшего Советского Союза [73], состояло в том, чтобы обеспечить получение навигационной информации о местах нахождения самых разнообразных мобильных объектов военного назначения, расположенных в любых точках земного шара, и, прежде всего, находящихся в открытом море судов военно-морского флота. Однако по мере освоения таких систем сфера их применения постоянно расширялась, охватив при этом самые разнообразные области использования таких систем в геодезии, топографии и аэрофотосъемке. Начатое в 1973 г. проектирование системы GPS привело к запуску в 1978 г. первого входящего в эту систему спутника. При проектировании космического сектора наряду с разработкой аппаратуры, устанавливаемой на спутниках, важное значение имеют расчет орбит и определение количества входящих в «созвездие» спутников. В качестве исходных предпосылок были приняты при этом следующие положения:
28
1.Накопленный опыт эксплуатации более ранних спутниковых навигационных систем показал, что высота орбиты относительно земной поверхности равная примерно 20 ООО км является наиболее оптимальной. Характерный для такой высоты 12-часовой период обращения спутников вокруг земного шара создает определенные удобства как при обслуживании спутников, так и при их использовании потребителями.
2.Для обеспечения возможности одновременных наблюдений не менее 4-х спутников в любой точке земного шара необходимо, чтобы общее количество входящих в «созвездие» спутников составляло не менее 24.
3.Для минимизации влияния геометрии расположения наблюдаемых спутников на точность выполняемых измерений количество орбит и места расположения на них спутников должны обеспечивать по возможности равномерное их распределение в поле обозреваемого небосвода. Исходя из этого, было признано целесообразным использование в системе GPS шести близких к круговым орбит, плоскости которых смещены относительно друг друга на 60 градусов. При этом в каждой соседней орбитальной плоскости положение спутников смещается примерно на 40 градусов. Применительно к системе ГЛОНАСС было выбрано три развернутых на 120 градусов орбитальные плоскости, на которых размещаются по 8 спутников, отстоящих друг от друга на 45 градусов.
Перечисленные выше соображения учитывались как в процессе проектирования космического сектора, так и при вводе его в эксплуатацию. В настоящем подразделе при рассмотрении космического сектора основное внимание уделено краткому описанию используемых спутников, достаточно подробному изложению принципиальных особенностей работы установленной на спутнике передающей аппаратуры, представляющей собой составную часть спутниковой радиодальномерной системы, а также принципам формирования сигналов, используемых в процессе проводимых измерений и последующих вычислений.
1.5.1. Краткие сведения о спутниках, входящих в состав систем позиционирования
Входящие в состав систем позиционирования спутники представляют собой, по существу, платформы, на которых устанавливается вся необходимая аппаратура как для обеспечения работы рассматриваемых систем, так и для нормального функционирования самого спутника как космического объекта с известными координатами, с ко-
29
торого передается информация, используемая при выполнении тех или иных измерений. Конструкция такого спутника состоит из основного корпуса, внутри которого размещается весь комплекс аппаратуры, и двух достаточно больших по размерам панелей с солнечными источниками питания. Внутри корпуса помимо основной радиотехнической аппаратуры, участвующей в измерительном процессе, имеется реактивный двигатель и достаточное количество топлива к нему с тем, чтобы имелась возможность корректировать орбитальное положение спутника в течение всего запланированного срока службы. Для ориентировки спутника в окружающем пространстве предусмотрена инерциальная система, дополнительно оснащенная сильным магнитным устройством. Бесперебойное электропитание бортовой аппаратуры осуществляется от солнечных источников питания и от работающих в буферном режиме аккумуляторных батарей. В состав вспомогательного оборудования входит также радиоприемное устройство для приема информации, передаваемой с земли сектором управления и контроля.
В системе GPS с момента запуска первого спутника эти спутники подвергались неоднократной модификации. К настоящему времени осуществлены три основные модификации спутников. Они объединены в группы, получившие условные названия Блок-1, Блок-II и БлокII R. За период с 1978 г. по 1985 г. с базы ВВС «Ванденберг» (Калифорния, США) было запущено 11 спутников, входящих в Блок-I, масса которых на орбите составляла 525 кг [73]. Вывод на орбиту осуществлен ракетой-носителем Atlas F. При этом были использованы орбитальные плоскости с углом наклона к плоскости экватора в 63 градуса. Высота орбит относительно земной поверхности около 20 200 км. Период обращения спутников вокруг Земли - 11 ч 57 мин 58,3 с.
В феврале 1989 г. с помощью системы McDonnell Douglas Delta 2 был выведен на орбиту первый спутник, относящийся к группировке Блок-II. Основные отличительные особенности этого блока следующие:
—наклон орбитальной плоскости выбран равным 55 градусов (вместо 63 градусов для Блока-1);
—расчетный срок активного существования спутника — 5 лет (при этом масса спутника на орбите возросла до 844 кг);
—введена дополнительная защита кодированных посылок от несанкционированных пользователей (в частности, дополнительной кодировке подвергнут Р-код).
За период с 1989 г. по 1997 г. на орбиты было выведено 28 спутников, входящих в Блок-II.
С1998 г. на орбиту стали выводиться спутники, входящие в БлокII R. Планируется ввести в эксплуатацию 25 спутников этой группы.
30
Отличительная особенность космических аппаратов, входящих в данную группу, состоит в следующем:
—расчетный срок активного существования повышен до 7,5 лет (при этом предполагается, что реальный срок может составить 10 лет);
—масса спутника на орбите увеличена до 1044 кг;
—спутники могут передавать пользователям качественную информацию без контакта с сектором управления и контроля в течение 14 суток.
На спутниках Блока-II R размещаются средства межспутниковой связи, позволяющие за счет обмена данными и измерения расстояний между спутниками производить автономное уточнение параметров орбит спутников и автономную синхронизацию установленных на спутниках часов.
В спутниках Блок-II F, которые в ближайшей перспективе должны заменить спутники Блок-II R, планируется увеличить срок службы до 14-15 лет, усовершенствовать структуру передаваемых со спутников сигналов и улучшить координатно-временное обеспечение космических аппаратов. При этом предполагается ввести в состав передаваемых сигналов дополнительную частоту L5, равную 1176,45 МГц, что существенно облегчит процесс разрешения неоднозначностей, характерных для фазовых измерений. Снижение систематических ошибок при навигационных определениях за счет повышения точности эфемеридного и временного обеспечения позволит гражданским пользователям повысить точность абсолютных координатных определений до 5 м [73].
Развертывание и совершенствование космического сектора, относящегося к системе ГЛОНАСС, также осуществлялись поэтапно.
Первый спутник системы ГЛОНАСС с условным названием Космос 1413 был запущен 12 октября 1982 г. К концу 1998 г было запущено 74 спутника, большинство из которых к настоящему времени выведено из эксплуатации [17]. На 10 февраля 2000 г. в обращении осталось 8 спутников.
По проектным данным «созвездие» спутников ГЛОНАСС также должно включать в себя 24 спутника, размещаемых в трех орбитальных плоскостях, наклон которых по отношению к плоскости экватора выбран равным 64,8 градуса. Номинальная высота круговой орбиты над земной поверхностью составляет 19 100 км, а период обращения спутника вокруг Земли — 11 ч 15 мин 44 с. Общая масса спутника равна 1415 кг. Расчетный срок службы — 3,5 года.
Модернизацию спутников системы ГЛОНАСС предполагается выполнить после 2000 г. При этом планируется повысить стабильность частоты опорных генераторов, установленных на спутнике, повысить точность определения эфемерид и их прогноз, а также увеличить срок
31