- •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
службы спутников до 5 лет. Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» принятая на 2001-2011 годы предусматривает не только укомплектование орбитальной группировки, но также упрощение доступа к информации о ГЛОНАСС для гражданских пользователей. В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 7 марта 1995 года № 237 обеспечение информацией о состоянии системы ГЛОНАСС осуществляет Координационный научно-информационный центр МО РФ. В соответствии с постановлением Правительства Российской Федерации от 3 августа 1999 года № 896 ежедневно (кроме выходных и праздничных дней) состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС публикуется в сетях общего пользования на сайте http://www.rssi/ru/SFCSIC/SFCSIC_main.html.
Информацию гражданским потребителям предоставляют по следующим разделам:
1.Информационная группа «Состояние», которая включает информацию о состоянии орбитальной группировки ГЛОНАСС. Все даты даны для московского времени (UTC+0300).
2.Информационная группа «Сводка» включает:
-информацию о спутниках, плоскостях, точках и номерах частот;
-сообщения о будущих и прошедших событиях, влияющих на состояние системы, а также сообщения о событиях, не меняющих состояние системы.
3.Информационная группа «Сообщения» включает сообщения потребителям системы ГЛОНАСС.
7.5.2. Назначение и схемная реализация устанавливаемой на спутниках аппаратуры
В соответствии с рассмотренной в подразделе 1.2 общей идеологией одностороннего спутникового метода измерения расстояний на спутнике размещается передающая часть дальномерного комплекса, с помощью которого формируются и передаются по радиоканалам на Землю все необходимые сигналы, участвующие в процессе проводимых измерений. Как уже отмечалось ранее, на начальной стадии разработки систем GPS и ГЛОНАСС планировалось ее создание как навигационных систем военного назначения. При этом основное внимание было уделено формированию кодовых сигналов, с помощью которых предполагалось реализовать возможность оперативного определения расстояний между спутниками и наземной аппаратурой с точностью, характеризуемой погрешностями в десятки и сотни метров. При проектировании таких систем было признано целесообразным применение двух видов закодированных сигналов. Для системы GPS эти ви-
32
ды получили название общедоступного грубого кода (С/А-кода) с разрешающей способностью в несколько десятков метров и санкционированного точного кода (Р-кода) с разрешающей способностью примерно в 10 раз более высокой. Применительно к системе ГЛОНАСС такие кодовые посылки получили название узкополосной и широкополосной псевдослучайной последовательности (СТ-код и ВТ-код). Передача со спутника обоих сигналов осуществляется посредством модуляции несущих колебаний дециметрового диапазона.
Наряду с перечисленными выше функциями расположенная на спутнике аппаратура должна также передавать на Землю навигационное сообщение, назначение которого было отмечено в подразделе 1.4.
Все формируемые на борту спутника несущие и кодовые сигналы, а также бинарные сигналы для передачи навигационного сообщения получают на основе использования установленных на спутнике высокостабильных опорных генераторов.
На заключительной стадии сформированные сигналы объединяются и после соответствующего усиления излучаются спутниковой антенной системой в направлении земной поверхности.
Взаимодействие входящих в состав спутниковой аппаратуры электронных узлов проиллюстрировано схемой, приведенной на рис. 1.3.
Основой данной функциональной схемы является высокостабильный опорный генератор, который называют также бортовым эталоном времени и частоты (БВЭЧ). Частота возбуждаемых таким генератором колебаний выбрана равной: для GPS - 10,23 МГц, а для ГЛОНАСС — 5,11 МГц. На базе использования этого генератора формируются не только все передаваемые со спутника сигналы, но и реализуются высокоточные электронные часы, показания которых используются как в процессе выполнения спутниковых измерений, так и для передачи сигналов точного времени.
Всистеме GPS колебания несущих частот, получивших условные обозначения L1 и L2, формируются посредством умножения частоты задающего опорного генератора соответственно на 154 и на 120. Полу-
чаемые при этом частоты/1;=1575,42 МГц иfL2= 1227,60 МГц соответствуют дециметровому диапазону (Хи = 19,0 см и Хи = 24,4 см).
Всистеме ГЛОНАСС с помощью соответствующих синтезаторов частот для каждого спутника формируется своя пара несущих частот, одна из которых относится к верхнему (L1 ), а другая - к нижнему (L2) диапазонам частот. При этом для верхнего и нижнего диапазонов несущие частоты, характерные для конкретного спутника, определяются по формулам:
fi,k=fi,o +W7;
33
f2.k=f2,0
где f , 0 =1602,000 МГц, а Д/,=0,5625 МГц; f20 =1246,000 МГц, a Л/2=0,4375 МГц; к - условный порядковый номер пары несущих частот fI,w f2.k-
Рис. 1.3. Упрощенная функциональная схема установленной на спутнике аппаратуры для системы GPS
Несущие колебания в рассматриваемых системах используются не только в качестве переносчиков информации со спутников в наземную аппаратуру, но и являются основными сигналами при выполнении фазовых измерений, с помощью которых удается определять расстояния между спутником и наземным пунктом с характерной для геодезии высокой точностью.
Формируемые на спутнике кодовые сигналы предназначены, прежде всего, для оперативного измерения расстояний на пониженном уровне точности, характерном для решения навигационных задач. Применительно к системе GPS эти сигналы используются для распознавания конкретного номера спутника, захвата свойственного ему сигнала и удержания его в течение всего сеанса наблюдений.
34
Численные значения характерных для кодовых сигналов тактовых частот, получаемых на основе использования частоты опорного генератора, в системе GPS выбраны следующими:
для С/А-кода-fc / A =/</10=1,023 МГц, для Р-кода-fP =f0 =" 10,23 МГц.
В системе ГЛОНАСС тактовые частоты для СТ-кода и ВТ-кода соответственно:
/ с т = 0,511 МГц и / 5 Г = 5,11 МГц.
Информация, содержащаяся в навигационном сообщении, передается на более низкой частоте (FHC = 50 бит/с), при формировании
которой также используются колебания опорного генератора. Поступающие с выходов кодирующих устройств кодовые после-
довательности суммируются с сигналами навигационного сообщения, после чего они поступают в модуляторы (перемножители), где осуществляется фазовая модуляция несущих колебаний L1 и L2. При этом колебания L1 подвергаются модуляции кодовыми сигналами как С/А- кода, так и Р-кода, в то время как колебания L2 модулируются только сигналами Р-кода с наложенным на них навигационным сообщением.
Для облегчения разделения на приемном конце кодовых сигналов (С/А и Р-кода), передаваемых на частоте L1, несущие колебания, используемые для передачи С/А-кода, дополнительно сдвигаются по фазе на 90 градусов, что позволяет реализовать в аппаратуре потребителя так называемый квадратурный принцип разделения принимаемых сигналов.
После формирования на спутнике фазомодулированных сигналов несущей частоты последние объединяются с помощью соответствующих электронных узлов в один комплексный сигнал, который излучается спутниковой антенной системой.
/.5.5. Высокостабильные спутниковые опорные генераторы
Из приведенного в предыдущем подразделе краткого описания установленной на спутнике аппаратуры следует, что наиболее ответственным узлом является высокостабильный опорный генератор, на основе которого формируются несущие колебания с частотами L1 и L2, кодовые сигналы, соответствующие двум упомянутым выше кодам, а также передаваемое со спутника навигационное сообщение. Кроме того, опорный генератор представляет собой основную составную часть установленных на спутнике электронных часов, показания которых используются как в измерительном процессе, так i гри формировании сигналов точного времени.
К основным требованиям, предъявляемым к спутников!гм опорным генераторам, следует отнести, прежде всего, необходим( ~ь реа-
35
лизации максимально достижимой стабильности работы и обеспечение высокой надежности их функционирования.
Исходя из первого требования, в системах GPS и ГЛОНАСС находят применение наиболее стабильные атомные и молекулярные генераторы. К ним относятся рубидиевые и цезиевые атомные генераторы, а также водородные молекулярные генераторы (мазеры). Для иллюстрации в табл. 1.1 приведены некоторые количественные показатели, характеризующие свойственную этим генераторам относительную нестабильность частоты для различных временных интервалов.
Таблица 1.1
Характеристика |
Рубидиевый |
Тип генератора |
||
Цезиевый |
Водородный |
|||
Масса, кг |
||||
2 |
10 |
30 |
||
Энергопотреб., Вт |
10 |
20 |
30 |
|
Объем, куб. дм |
1 |
10 |
30 |
|
Относительная неста- |
|
|
|
|
бильность частоты за: |
|
|
|
|
1 с |
МО"11 |
5-Ю'11 |
5-Ю"13 |
|
1 мин |
210"12 |
610-12 |
610-14 |
|
1 ч |
МО"12 |
8-Ю"13 |
3-Ю14 |
|
1 сут |
5-Ю"12 |
310-12 |
210'14 |
|
Систематический |
3-Ю"11 |
3-Ю"12 |
Не обнаружен |
|
дрейф |
(за месяц) |
(за год) |
|
|
Причины снижения |
Снижение |
Шумы в |
Ограниченный |
|
стабильности |
качества |
лучевой |
запас |
|
|
лампы |
трубке |
водорода |
Из табл. 1.1 следует, что наибольшая стабильность частоты характерна для водородных мазеров. Что касается двух других типов атомных генераторов, то цезиевые генераторы в сравнении с рубидиевыми генераторами обеспечивают более высокую долговременную стабильность, в то время как для рубидиевых генераторов свойственна более высокая кратковременная стабильность.
Для повышения надежности и стабильности работы на спутниках устанавливают несколько одновременно работающих опорных генераторов. Так, в системе GPS на спутниках Блок-II находятся два цезиевых и два рубидиевых генератора. На спутниках Блок-II R вводятся в действие более стабильные водородные мазеры.
Поскольку находящиеся на спутниках опорные генераторы выполняют роль бортовых эталонов не только частоты, но и времени, то в специализированной литературе такие генераторы часто называют часами.
36