ГНСС1. Зачем нужны на­зем­ные стан­ции

На ре­сур­се неред­ко всплы­ва­ют темы, свя­зан­ные с гло­баль­ны­ми на­ви­га­ци­он­ны­ми спут­ни­ко­вы­ми си­сте­ма­ми. Об­суж­де­ния по­ка­зы­ва­ют, что для мно­гих ка­мра­дов ГНСС яв­ля­ют­ся некой «вещью в себе»: на небе ле­та­ют спут­ни­ки, а кар­ман­ный на­ви­га­тор каким-​то об­ра­зом по­ка­зы­ва­ет свое по­ло­же­ние на карте. Где-​то сбоку на­хо­дят­ся на­зем­ные стан­ции (ко­то­рые неред­ко сме­ши­ва­ют­ся с ба­за­ми со­то­вой ввязи), по­мо­га­ю­щие по­вы­сить точ­ность. Как-​то так:

Мало того, что на­зна­че­ние на­зем­ной стан­ции на ри­сун­ке непо­нят­но, так еще и не все стрел­ки изоб­ра­же­ны пра­виль­но.

От­дель­ная тема – наша оте­че­ствен­ная си­сте­ма на­ви­га­ции, ГЛО­НАСС. Кри­ти­ки на него – по делу и не очень – ру­шит­ся нема­ло. Вот так, к при­ме­ру, пред­став­ля­ют себе ра­бо­ту с ГЛО­НАСС иные ода­рен­ные гео­де­зи­сты:

Что уж го­во­рить о ря­до­вых наших граж­да­нах, слы­ша­щих о ГЛО­НАСС толь­ко при па­де­нии оче­ред­но­го «Про­то­на». Воз­ни­ка­ют ост­ро­ум­ные шу­точ­ки про ти­хо­оке­ан­скую спут­ни­ко­вую груп­пи­ров­ку и все такое про­чее.

В этой ста­тье я не став­лю перед собой за­да­чу охва­тить весь спектр во­про­сов по ГНСС. Все есть в сети. Если нужно чиста на паль­цах – можно по­чи­тать эту ста­тью, по­по­дроб­нее о ГЛО­НАСС – здесь. Если хо­чет­ся по­чи­тать книгу – по­жа­луй­ста. В конце кон­цов, никто не от­ме­нял пока по­ис­ко­вые си­сте­мы.

А я пе­рей­ду к спе­ци­аль­ным во­про­сам.

Рас­смот­рим пуб­ли­ка­ции на АШ по теме (пе­ре­чень непол­ный):

Начну с по­след­них со­бы­тий.

Да, речь о них, о на­зем­ных стан­ци­ях. Зачем они нужны? Зачем амеры раз­ме­сти­ли на нашей тер­ри­то­рии 19 стан­ций, а мы хотим в ка­че­стве от­вет­ной лю­без­но­сти во­ткнуть им 8 наших? Можно ли их ис­поль­зо­вать для на­ве­де­ния ракет или шпи­о­на­жа?

Об­ра­тим­ся к обоб­щен­ной струк­ту­ре любой ГНСС (самая пер­вая кар­тин­ка в ста­тье).

Си­сте­ма со­сто­ит из кос­ми­че­ско­го сег­мен­та (спут­ни­ки), на­зем­но­го (си­сте­ма кон­тро­ля и управ­ле­ния) и по­тре­би­тель­ско­го. По­след­ний оста­вим в сто­роне, по­дроб­нее рас­смот­рим пер­вые два.

Спут­ни­ко­вый сиг­нал вклю­ча­ет в себя, в част­но­сти, даль­но­мер­ный код, сиг­на­лы точ­но­го вре­ме­ни и эфе­ме­ри­ды. С пер­вым все по­нят­но; точ­ное время необ­хо­ди­мо для рас­че­та рас­сто­я­ния до спут­ни­ка; эфе­ме­ри­ды со­дер­жат ин­фор­ма­цию о ме­сто­по­ло­же­нии спут­ни­ка (ко­ор­ди­на­ты или эле­мен­ты ор­би­ты). Рас­чет ме­сто­по­ло­же­ния при­ем­ни­ка, таким об­ра­зом, сво­дит­ся к ре­ше­нию про­стран­ствен­ной ли­ней­ной за­сеч­ки:

В этой схеме все по­нят­но и са­мо­до­ста­точ­но, кроме эфе­ме­рид. Каким об­ра­зом опре­де­ля­ет­ся по­ло­же­ние спут­ни­ков?

Для этого в том числе и нужны на­зем­ные стан­ции. Не зря на­зем­ный сег­мент на­зы­ва­ют контрольно-​измерительным. С его по­мо­щью осу­ществ­ля­ет­ся не толь­ко управ­ле­ние и обмен дан­ны­ми со спут­ни­ка­ми, но и непре­рыв­ное опре­де­ле­ние их ме­сто­по­ло­же­ния. По­лу­чен­ная ин­фор­ма­ция об­ра­ба­ты­ва­ет­ся, де­ла­ет­ся про­гноз­ный рас­чет эфе­ме­рид на неко­то­рое время впе­ред, рас­чет­ные эфе­ме­ри­ды пе­ре­да­ют­ся на спут­ни­ки.

Вер­нем­ся к ор­би­там спут­ни­ков. Зачем, ка­за­лось бы, по­сто­ян­но опре­де­лять их ме­сто­по­ло­же­ние? За­пу­стил спут­ник на эл­лип­ти­че­скую (в част­ном слу­чае – кру­го­вую) ор­би­ту, опре­де­лил ее эле­мен­ты (как – еще де­душ­ка Кеплер нам разъ­яс­нил), а даль­ше все рас­че­ты по мо­де­ли!

Это было бы спра­вед­ли­во, если бы Земля имела такую форму:

На самом деле форма Земли в пер­вом при­бли­же­нии такая:

Эл­лип­со­ид вра­ще­ния. Если на ор­би­ту во­круг та­ко­го тела за­пу­стить спут­ник, он будет дви­гать­ся не по эл­лип­су, а по гео­де­зи­че­ской линии – про­стран­ствен­ной кри­вой, яв­ля­ю­щей­ся крат­чай­шим рас­сто­я­ни­ем на эл­лип­со­и­де между двумя про­из­воль­ны­ми точ­ка­ми. На­гляд­но ее можно пред­ста­вить, на­тя­нув на по­верх­но­сти эл­лип­со­и­да ре­зи­но­вую нить. В эле­мен­тар­ных функ­ци­ях такую кри­вую опи­сать нель­зя, при­хо­дит­ся при­бе­гать к диф­фе­рен­ци­аль­ным урав­не­ни­ям.

Но, как из­вест­но, в дей­стви­тель­но­сти все не так, как на самом деле:

Не пу­гай­тесь, тут ис­ка­же­ния силь­но пре­уве­ли­че­ны. Вот карта высот ква­зи­гео­и­да над общим эл­лип­со­и­дом на тер­ри­то­рию Рос­сии, еди­ни­цы из­ме­ре­ния - метры:

Но факт оста­ет­ся фак­том: фи­гу­ре Земли (геоид) нель­зя дать стро­гое опи­са­ние и вы­ве­сти кра­си­вую фор­му­лу. Можно лишь со­зда­вать чис­лен­ные мо­де­ли, ко­то­рые неиз­беж­но будут иметь опре­де­лен­ные по­греш­но­сти.

А если вспом­нить, что на ор­би­ту спут­ни­ка ока­зы­ва­ют вли­я­ние гра­ви­та­ци­он­ные поля Солн­ца, Луны, пла­нет и дру­гих небес­ных тел, cопротивление ат­мо­сфе­ры, дав­ле­ние пря­мой и от­ра­жен­ной сол­неч­ной ра­ди­а­ции, лунно-​солнечные при­ли­вы, ре­ля­ти­вист­ские эф­фек­ты… В общем, за­да­ча про­гно­зи­ро­ва­ния ор­би­ты на сколько-​нибудь про­дол­жи­тель­ный пе­ри­од вре­ме­ни пока нераз­ре­ши­ма. По­это­му – толь­ко непре­рыв­ные на­блю­де­ния и кор­рек­ти­ров­ки мо­де­ли. В на­сто­я­щее время эфе­ме­ри­ды «за­ли­ва­ют­ся» на спут­ник на каж­дом витке ор­би­ты (при­мер­но два­жды в сутки); по­греш­ность таких эфе­ме­рид (их на­зы­ва­ют бор­то­вы­ми, у бур­жу­ев – broadcast) со­став­ля­ет по­ряд­ка пер­вых мет­ров. На глаз оце­нить по­греш­ность эфе­ме­рид ГЛО­НАСС и NAVSTAR можно на этой и этой стра­ни­цах.

Ви­ки­пе­дия нам ве­ща­ет (обой­дем­ся без ссыл­ки), что по­греш­ность опре­де­ле­ний ГЛО­НАСС несколь­ко хуже, чем NAVSTAR. Это дей­стви­тель­но так. Как по­вы­сить точ­ность?

Один из ре­зер­вов для по­вы­ше­ния точ­но­сти ГЛО­НАСС – усполь­зо­ва­ние более точ­ных бор­то­вых часов. В этом на­прав­ле­нии ра­бо­та идет – на новых спут­ни­ках ГЛОНАСС-​К1, К2 будут уста­нав­ли­вать­ся дру­гие часы.

Вто­рой ре­зерв – по­вы­ше­ние точ­но­сти эфе­ме­рид. Вот тут-​то и ста­но­вит­ся необ­хо­ди­мым рас­ши­ре­ние сети на­зем­ных стан­ций.

Для уточ­не­ния про­гно­за орбит необ­хо­ди­мо на­блю­дать дви­же­ние спут­ни­ков по воз­мож­но­сти непре­рыв­но. У NAVSTAR с этим нет ни­ка­ких про­блем:

Сеть IGS. Что это за ор­га­ни­за­ция? Ви­ки­пе­дия ве­ща­ет:

International GNSS Service (IGS, в про­шлом International GPS Service) — доб­ро­воль­ное объ­еди­не­ние более чем 200 агентств, за­ни­ма­ю­щих­ся сбо­ром GPS и ГЛО­НАСС дан­ных с по­сто­ян­но ра­бо­та­ю­щих ба­зо­вых стан­ций, рас­по­ло­жен­ных по всему миру.

Ор­га­ни­за­ция кагбе меж­ду­на­род­ная. А вот адрес их оф­сай­та: http://igscb.jpl.nasa.gov/. В общем, нетруд­но по­нять, в чьих ин­те­ре­сах эта струк­ту­ра ра­бо­та­ет.

На нашей тер­ри­то­рии на­хо­дит­ся неко­то­рое ко­ли­че­ство стан­ций этой ор­га­ни­за­ции (то ли 14, то ли 19 – я пока не опре­де­лил­ся; какие-​то пре­кра­ти­ли ра­бо­ту, какие-​то хоть и счи­та­ют­ся за две, но на­хо­дят­ся в 20 м друг от друга).

Вот так вы­гля­дит стан­ция в Об­нин­ске:

На сним­ке при­ем­ная ан­тен­на. На дру­гом конце ка­бе­ля на­хо­дит­ся сер­вер об­ра­бот­ки и пе­ре­да­чи дан­ных. Дан­ные об­ще­до­ступ­ны.

А вот, для срав­не­ния, карта раз­ме­ще­ния из­ме­ри­тель­ных стан­ций нашей сети СДКМ:

Вот стан­ция в г. Бра­зи­лиа:

Видно раз­ли­чие в охва­те тер­ри­то­рии между нашей сетью и сетью ве­ро­ят­ных дру­зей. Нам нужно рас­ши­рять сеть. По этому-​то по­во­ду и идет сей­час возня в США с на­ши­ми стан­ци­я­ми, за­яв­ле­ния Ро­го­зи­на и про­чее.

Пока все. Если чи­та­те­ли за­хо­тят, а мо­де­ра­то­ры не будут воз­ра­жать, про­дол­жу.

Если ка­мрад Muller, как гео­де­зист, ука­жет на неточ­но­сти в тек­сте, буду бла­го­да­рен. Также охот­но приму за­ме­ча­ния от ка­мра­да Пе­пе­ла­ца.

Да и Удав на­счет ГНСС писал ком­мен­ты в ос­нов­ном по делу. Вы­ска­жет­ся – приму к све­де­нию.