Эфемериды глонасс. Эфемериды спутника ведущая станция уточняет несколько раз в день

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).

Навигационные спутники передают два вида данных - альманах и эфимерис .

Альманах - это набор сведений о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая загубленные эфемериды, применяемые для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия, содержащих сведения. Альманах содержит параметры орбит всех спутников. Каждый спутник передает альманах для всех спутников. Данные альманаха не отличаются большой точностью и действительны несколько месяцев.

Данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат. Каждый навигационный спутник передает данные только своего собственного эфимериса.

Навигационные сообщения - это передаваемые спутником пакетные данные, содержащие эфемериду с метками времени и альманахом.

Сигнал, передаваемый навигационными спутниками, условно можно разделить на два основных компонента: навигационный сигнал (псевдослучайный дальномерный код) и навигационное сообщение (содержащее большое количество сведений о параметрах навигационных спутников). В свою очередь, навигационное сообщение содержит эфемеридные данные и альманах (рис. 3.24). Сразу подчеркнем, что дальномерный код также передается в составе навигационного сообщения, что станет понятным из дальнейшего изложения.

Оперативная информация

(Эфемериды)

Далыюмерный, псевдослучайный код

Неоперативная информация

(Альманах)

Рис. 3.24. Структура сигнала навигационных спутников

Можно сказать, что сигнал навигационных спутников содержит три основных составляющих:

  • 1) псевдослучайный (дальномерный) код;
  • 2) альманах;
  • 3) эфемеридные данные.

Информацию о местоположении спутников навигационные приемники получают именно из данных, содержащихся в альманахах и эфемеридах спутников. Поясним значение термина «эфемерида» (др.-греч. ?(ргщ?р1? - на день, ежедневный). В астрономии это таблица небесных координат Солнца, Луны, планет и других астрономических объектов, вычисленных через равные промежутки времени, например, на полночь каждых суток.

Также эфемеридами называются координаты искусственных спутников Земли, используемых для навигации в системах NAVSTAR (GPS), ГЛОНАСС, Galileo и др. Эфемериды - это уточненная информация об орбите данного конкретного спутника, передающего сигнал, поскольку реальная орбита спутника может отличаться от расчетной. Именно точные данные о текущем положении спутников позволяют навигационному приемнику вычислять точное местоположение спутника и на этой основе рассчитывать собственное местоположение. Данные эфемерид навигационной группировки ГЛОНАСС публикуются на сайте Российского космического агентства (Роскосмос). Состав эфемерид спутников ГЛОНАСС включает, в частности, следующие параметры орбиты спутника :

  • NS - номер спутника;
  • дата - базовая дата (UTC+3 ч), ЧЧ.ММ.ГГ;
  • ТО. - время прохождения восходящего узла (количество секунд от 00 ч 00 мин 00 с базовой даты), с;
  • Т а6 - период обращения, с;
  • е - эксцентриситет;
  • / - наклонение орбиты, °;
  • ЬО - географическая долгота восходящего узла ГЛОНАСС, °;
  • со - аргумент перигея, °;
  • 5/, - поправка к бортовой шкале времени, с;
  • п, - номер литерной частоты;
  • АТ - скорость изменения драконического периода. Драко-ническии период - интервал времени между двумя последовательными прохождениями небесного тела через один и тот же (восходящий или нисходящий) узел орбиты.

Понятие эксцентриситета орбитального эллипса поясняет рис. 3.25:

  • а
  • основная полуось орбитального эллипса - Ь _
  • эксцентриситет орбитального эллипса: е =

Эфемеридные данные являются составной частью альманаха. Получив от альманаха основные примерные параметры орбит всех спутников, навигатор получает от каждого из спутников его собственный эфимерис. По этим точным данным корректируются

Рис. 3.25.

параметры орбит, т.е. данные альманаха. Эфимерисы - это своего рода «надстройка» над альманахом, которая основные параметры превращает в параметры конкретные. Данные эфимериса содержат очень точные корректировки параметров орбит и часов для каждого спутника, что требуется для точного определения координат.

В отличие от альманаха, каждый спутник передает данные только своего собственного эфимериса, и с их помощью навигационный приемник с высокой точностью может определить местоположение спутников.

Эфимерисы, несущие более точные данные, устаревают достаточно быстро. Эти данные действительны только 30 мин. Спутники передают свой эфимерис каждые 30 с. Обновление эфемерид осуществляется наземными станциями. Если приемник был отключен более 30 мин, а потом включен, то он начинает искать спутники, основываясь на известном ему альманахе. По нему он выбирает спутники для инициации поиска.

Когда навигационный приемник фиксирует спутник, идет процесс сбора данных эфимериса. Когда эфимерис каждого спутника принят, данные, принятые от спутника, считаются подходящими для навигации.

Если питание приемника отключить, а потом снова включить в течение 30 мин, то он «поймает» спутники очень быстро, так как не нужно будет снова собирать данные эфимериса. Это «горячий» старт.

Если после отключения прошло более 30 мин, то будет произведен «теплый» старт, и приемник снова начнет собирать данные эфимериса.

Если приемник был перевезен (в выключенном состоянии) на несколько сотен километров или внутренние часы стали показывать неточное время, то данные имеющегося альманаха являются неверными. В таком случае навигатору требуется выполнить загрузку нового альманаха и эфимериса. Это уже будет «холодный» старт.

Обеспечение спутников эфемеридами производит наземный сегмент системы, т.е. на Земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определенный промежуток времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала.

В GPS альманах в комплексе с другими полями данных передается каждые 12,5 мин, в ГЛОНАСС - каждые 2,5 мин. В табл. 3.3 для сравнения приведены два временных параметра альманаха и эфемерисов GPS. Очевидно, что период обновления данных и сроки их актуальности для альманаха и эфимериса существенно различны.

Таблица 3.3

Периоды обновления данных орбит навигационных спутников

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_export
Коэффициенты 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 бинарниками
Как 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. Процессы, происходящие в современной технике, для пользователя загадка. Более того, зачастую пользователя они ничуть не волнуют: или не интересно, или просто все равно. Это касается и навигаторов. Включил – и знаешь свои координаты. Несколько движений пальцами – маршрут готов. Однако порою, чтоб разобраться с техническими характеристиками того же навигатора, нужно знать больше, чем необходимо просто для пользования им.

Поэтому, оговорюсь сразу: статья будет интересна тем, кого не устраивает роль рядового пользователя «черной коробочки с экраном». Тем, кто стремится изучить все пункты технической характеристики устройства перед его приобретением. Тем, кто получает удовольствие от понимания процессов, происходящих в разнообразных устройствах.

Такие люди не отвечают «не знаю» на вопросы типа: «Какой на твоем компьютере установлен процессор?». Вопрос-то, по сути, элементарный, но вы будете удивлены тем, какой процент друзей-товарищей ответ на него знает. Попробуйте!

Немного о терминах

В каждой сфере науки и техники полным-полно терминов. Термины эти звучат для непосвященных загадочно, но становятся, в целом, понятными при более пристальном рассмотрении.

В теории космической навигации также есть множество терминов. И неудивительно: эта сфера знаний связана и с движением спутников в околоземном пространстве, и с приемом-обработкой-передачей сигналов, и с их кодированием.

Терминами, которые небесполезно будет рассмотреть, являются понятия альманах и эфемериды. Почему именно эти понятия нам интересны? Да потому, что на знании этих понятий основывается понимание «холодного» и «горячего» старта навигатора.

Альманах в современной навигации и не только

Еще до начала эры космической навигации понятие альманах уже существовало. Альманахом называли справочник, который содержит основные астрономические данные – положения небесных тел и их привязку к календарю. Одним из самых старых альманахов является китайская книга Тун Син.

В наши дни назначение альманахов не изменилось. Изменилось только количество данных, которые в них содержатся, и их точность. Альманах в космической навигации – совокупность данных об основных параметрах орбит спутников в навигационной системе. Форма представления этих данных для нас, собственно, не так и важна.

Альманах содержит шесть параметров орбиты спутника на определенный момент времени. Причем каждый спутник системы имеет данные о других спутниках. Навигатор, установив связь всего с одним спутником, после получения альманаха имеет данные о параметрах орбит и других. Альманах, загруженный в память спутника, действителен 30 дней. Тем не менее уточняются эти данные чаще – раз в несколько суток, во время сеанса связи с одной из наземных станций.

Эфемериды

Кроме основных параметров орбит, навигатор получает от каждого из спутников их эфемериды, это данные, по которым вычисляются отклонения орбиты, коэффициенты возмущений и т.д. То есть с их помощью навигатор с высокой точностью может определить местоположение спутников.

Эфемериды, несущие более точные данные, устаревают гораздо скорее. Их данные активны только около 30 минут. Они также обновляются наземными станциями.

Без данных о местоположении навигационных спутников невозможно определение координат приемника. Необходимо для этого целых четыре спутника. Об особенностях включения навигатора и о «холодном», «теплом» и «горячем» старте, поговорим в следующей статье.

Что такое «холодный» и «горячий» старт навигатора?

Общий алгоритм работы навигатора

Именно общий – все до мелочей знают только разработчики. Итак, после включения навигатор начинает совершать попытки установить связь с одним из навигационных спутников.

Первый же спутник, с которым связь была установлена, передает навигатору альманах, в котором содержится информация про основные параметры орбит каждого спутника орбитальной группировки этой конкретной навигационной системы.

Одного спутника для определения координат мало. Для этого, например, в навигационной системе GPS их необходимо как минимум четыре. Каждый из этих четырех передает навигатору свои эфемериды – набор уточненных данных про свою орбиту.

В целом, ничего сложного, но вот так незаметно мы и подобрались к тому этапу, на котором будет раскрыта разница между двумя этими видами старта навигатора.

«Холодный» старт

Включив навигатор в первый раз или после длительного перерыва в его использовании, получения собственных координат придется ждать. Сколько? Зависит от многих факторов:
- от качества приемного блока навигатора;
- от количества спутников в зоне радиовидимости;
- от состояния атмосферы;
- от уровня электромагнитного шума на основных частотах.

При так называемом «холодном» старте навигатора, в его памяти вообще отсутствуют как альманах, так и эфемериды. А может, и присутствуют, но они безнадежно устарели.

В таком случае навигатор должен пройти полный цикл получения этих данных.

Алгоритм его действий примерно таков:
- установить связь с первым из найденных спутников;
- получить альманах, сохранить;
- получить эфемериды от найденного спутника, сохранить;
- установить связь еще с тремя спутниками, получить от них эфемериды, сохранить;

Немало действий, правда? На все это необходимо время. Потому старт и называют «холодным» – навигатору нужно время на «разогрев», подготовку к работе.

«Горячий» старт

Кардинально отличается от «холодного» тем, что на момент включения в памяти навигатора уже находится актуальный альманах и актуальные эфемериды. Вспоминаем, что данные альманаха действительны 30 суток, а эфемерид – 30 минут.

Значит, старт может быть «горячим» только в том случае, когда питание отключается только на весьма непродолжительное время.

Алгоритм работы навигатора значительно упростится:
- установить связь со спутниками;
- если необходимо – обновить эфемериды, сохранить;
- на основе эфемерид, зная местоположение спутников, вычислить собственные координаты.

«Теплый» старт

Кратко. Навигатор располагает актуальным альманахом, но все без исключения эфемериды устарели, значит, необходимо получить только их.

Расставим все по местам

Если расставить в порядке возрастания времени, необходимого для определения навигатором приемника после включения, получится такая последовательность: «горячий», «теплый», «холодный» старты.

Теперь характеристика навигатора «время холодного/горячего старта» не только не сможет смутить знающего человека, но и даст возможность продемонстрировать свои знания. А ведь все не так уж сложно!

В алгоритме работы навигатора при «холодном» и «горячем» старте упоминалось о вычислении навигатором своих координат.

Как навигатор определяет свои координаты?

Не раз упоминалось, что для определения навигатором своих координат, нужны четыре спутника. Почему именно четыре и какова общая схема этого процесса, попробуем разобраться прямо сейчас.

Простыми словами о сложном

Электромагнитное излучение перемещается в пространстве с конечной скоростью – со скоростью света. Исходя из этого, можно, замерив интервал между моментом начала передачи сигнала и моментом его приема, определить расстояние между передатчиком и приемником.

Навигатор, установив связь со спутниками, располагая загруженными в память альманахом и эфемеридами, принимает сигнал с меткой точного времени от каждого из спутников. По своим внутренним часам навигатор определяет время, которое потребовалось сигналу, чтоб его достичь. Зная скорость распространения сигнала и время, навигатор решает простую задачу – вычисляет расстояние, на котором он находится от спутника.

Включаем объемное мышление. Для однозначного определения положения в трехмерном пространстве относительно точек с известными координатами необходимо знать, где находятся как минимум три точки.

Зная точные координаты трех спутников в определенный момент времени (спасибо альманаху и эфемеридам) и расстояния до них, навигатор и определяет свои координаты на поверхности земного шара. Уже в привязке к двумерным координатам, принятым в картографии (долгота и широта), и к высоте над уровнем моря.

С тремя разобрались. Теперь разберемся с четвертым спутником.

Не думай о секундах свысока

А если речь идет о космической навигации и скорости света – то свысока нельзя думать даже о микросекундах. Малейшая погрешность в измерении времени прохождения сигналом расстояния от навигатора до спутника может вылиться в сотни метров, а то и в километры.

Точность измерения времени – слабое место любой навигационной системы.

На каждом из спутников установлены очень точные (и дорогие и большие) атомные часы, точность хода которых – наносекунды (это 10 –9). Навигаторы оснащены намного менее точными часами – на кварцевом генераторе.

Именно для синхронизации времени в системе навигатора - три спутника и необходим четвертый. Он синхронизирует время и сводит к минимуму погрешности, которые возникают из-за неточности измерения времени. Вернее, он заставляет спутник и навигатор в одно время генерировать одинаковый код. Код этот передается в том самом сигнале, по которому замеряется расстояние. Приняв сигнал с кодом, навигатор определяет, какое время назад он сам генерировал такой код.

Такова схема в общих чертах. На деле все гораздо сложнее: цифровой сигнал подвергается кодированию, синхронизация времени, вычисление координат спутников и своего местоположения – вовсе не простые задачи. Все усложняется еще и тем, что разработчики используют различные уловки для повышения точности измерений: помехоустойчивое кодирование, поправки для нивелирования воздействия эффекта Доплера, поправки на изменение скорости прохождения радиосигнала в тропосфере и ионосфере.

Но это уже тема не краткой поясняющей статьи, а намного более серьёзной и объемной работы.