Спутниковые геодезические определения координат точек

Система глобального позиционирования NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) или просто GPS является спутниковой радионавига-ционной системой (СРНС) космического базирования, разработанной по заказу Министерс-тва обороны США для обеспечения вооруженных сил средствами непрерывного действия

по определению их положения, скорости и времени в общеземной системе координат в люб-ой точке на или около земной поверхности. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения пользователем точных координат, скоростей и времен-и в непрерывном режиме 24 ч в сутки. В настоящее время система открыта и для гражданск-

их пользователей.

Для достижения таких важных качеств, как непрерывность и высокая точность опреде-лений, в составе любой современной СРНС функционируют три подсистемы:

• сеть навигационных спутников (космический сегмент);

• наземный командно-измерительный комплекс (сегмент управления);

• аппаратура потребителей (сегмент потребителей).

Основной операцией, выполняемой в СРНС, является определение пространственных координат местоположения потребителей и времени. В рамках такой организации СРНС вы-бран способ определения местоположения потребителей на основе безопасных (пассивных) дальномерных измерений по сигналам нескольких навигационных спутников с известными координатами, что дало возможность работать с системой неограниченному количеству по-льзователей одновременно.

Наиболее важными понятиями, объясняющими принципы работы системы GPS, явля-ются следующие.

Спутниковая трилатерация – принцип получения координат объекта по измерениям со спутников, координаты которых известны.

Точные координаты аппаратуры пользователя (далее – приемника) могут быть вычис-лены по изменениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе извес-тно). В этом случае спутники можно рассматривать как пункты с известными координатами. Зная расстояние до трех спутников с известными координатами, можно вычислить координа-ты определяемой точки.

Спутниковая дальнометрия – принцип измерения расстояний до спутников.

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосиг-нала от космического аппарата до приемника, умноженным на скорость света. Для того что-бы определить время распространения сигнала, необходимо знать, когда он покинул спутник.

Точная временная привязка – согласование показаний часов приемника и бортовых часов спутника.

Точность вычисления координат напрямую зависит от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и в приемнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы, имеющие точность около одной наносекунды. Однако это

слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS-приемник, поэтому измер-

ения от четвертого спутника используются для устранения ошибок хода часов приемника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают, если часы на спутнике и в приемнике не синхронизированы.

Расположение спутников – определение точных координат спутников в пространстве.

Система NAVSTAR GPS состоит из 24 спутников, находящихся на круговых орбитах радиусом 20 200 км с орбитальным периодом в 12 ч. В шести различных плоскостях, имею-щих наклон к экваторув 55 градусов, расположено по 4 спутника. Указанная высота необхо-дима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения факт-ора влияния сопротивления атмосферы. Такая конфигурация позволяет обеспечить непрер-ывное и глобальное покрытиеземной поверхности и околоземного пространства навигацион-ным полем, т. е. созвездие из 24 спутников, находящихся на такой высоте, гарантирует, что по крайней мере 4 спутника будут видны одновременно в любой точке земной поверхности.

Министерство обороны США осуществляет непрерывное слежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным кодом. МО США имеет четыре станции слежения за спутниками, три станции связи и центр, осуществляющий контроль и управ-ление за всем наземным сегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточ-ненные элементы спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.

Коррекция ошибок – учет ошибок, вносимых тропосферной и ионосферной задерж-ками.

Некоторые источники ошибок, возникающих при работе GPS, являются трудноус-транимыми. Основными являются ошибки, вызванные ионосферной и тропосферной задер жками, многолучевостью и нестабильностью часов. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реаль-ности все гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130–290 км) и тропо-сферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерении дальности. В современных GPS-приемниках используют всевозможные алгоритмы устранен-ия этих задержек. Использование передачи спутниками навигационных сигналов на двух частотах позволяет исключить ошибку, вызванную ионосферной задержкой. Для исключен-ия ошибки, вызванной тропосферной задержкой, требуется построение модели тропосферы для учебы и исключения этой ошибки.

Погрешности частично-временного обеспечения возникают вследствие несовершенства синхронизации бортовых шкал времени спутников, а также бортовых эталонов шкал времени и эталонов частоты потребителей. Эти погрешности могут приводить к серьезным ошибкам в определении дальности. Так, например, ошибка бортовой шкалы времени в 1 мс

приводит к эквивалентной ошибке определения дальности в 300 км.

Многолучевая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал_отражается от объектов, расположенных на зе-мной поверхности, что создает заметную интерференцию с сигналами, приходящими непо-средственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная констр-укция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Раньше существовал еще один источник ошибок – это «Избирательный Доступ», искус-ственное снижение точности спутникового сигнала, вводимое МО США. Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 м. Однако 1 мая 2000 года по решению президента США «Избирательный Доступ» был отключен. Кроме того, его можно отключить, применяя технику дифференциальной коррекции.