Сколько стоят черные ящики

Итак, мысленно вернемся на четырнадцать лет назад и окинем взором, как стремительно осваивается человечеством новоявленное детище американской военной технологии, ставшее неожиданно достоянием каждого, у кого хватает средств купить эту пока очень недешевую игрушку, показывающую координаты. Рабочее созвездие в 17 из планируемых 24 спутников развернуто, загрубление SA (Selective Aviability) открытого C/A-кода уже включено, шифрование закрытого P-кода в более сложный Y-код — AS (Anti-Spoofing) еще предстоит. Попутно совершается революция в геодезии, — оказывается, для пары приемников их взаимное положение может определяться с поразительной точностью. Правда, эти приемники должны иметь в себе очень хороший генератор частоты и уметь записывать фазовые отсчеты одной, а лучше обеих несущих. Такие приборы, сразу занявшие нишу hi-end в GPS-технологиях, стали называть геодезическими, по прямому назначению. Выглядят они, разумеется, солиднее своих «прогулочных» собратьев, а их стоимость и теперь, спустя десятилетие, начинается от шести тысяч долларов, а тогда начиналась от двадцати. Вслед за пионерами в этой области Macrometer и Texas Instuments мировые лидеры электроники как от навигации, так и от геодезии устремились на новый рынок, не обходя и российские просторы, только что открывшиеся благодаря снятым ограничениям COCOM. Тогда мы услышали названия брэндов Trimble, Ashtech, Leica, позже к ним присоединятся другие, например, Javad и Торсоn. Встречный барьер из наших таможенников, чиновников связьнадзора и бдительных особистов в полном объеме будет тоже возведен позже.

Довольно скоро стало понятно, что реализация дифференциального метода определения координат (так стали называть этот способ вычисления взаимного положения станций с точностью 1–3 см) зависит не только (и даже не столько) от самого приемника, его аппаратной начинки и firmware, но и от софта постобработки (Не будем здесь касаться вычислений в реальном времени с использованием радиоканала, поскольку суть алгоритмов одна и та же), который будет формировать разности кодовых и фазовых отсчетов и решать на их основе довольно сложную математическую задачу нахождения комбинации целочисленных уложений волн между спутниками и приемниками — задачу «разрешения неоднозначности». Именно разрешение неоднозначности на измеренной двумя приемниками базовой линии определяет сегодня успех или неуспех проделанной геодезистами работы. Разумеется, у каждой фирмы в комплекте к приборам имелась подобная программа, и скоро появилась возможность сравнивать результаты.

Правда, перед этим пришлось разрешить одно техническое затруднение: поскольку каждый производитель поддерживал свой собственный формат хранения данных, необходимо было установить взаимопонимание между разными приемниками и софтом обработки. Для этого был введен универсальный текстовой формат RINEX (Receiver-INdependent EXchange). Его создателем стал Вернер Гертнер (Werner Gurtner) из того же AIUB. Ныне это стандартный формат обмена измерительных данных, навигационных сообщений и показаний метеосенсоров. Он читается всеми программами обработки GPS/GLONASS, а навыками чтения и редактирования RINEX-файлов владеет каждый грамотный геодезист.

Как и следовало ожидать, обнаружился некоторый разнобой в результатах (до 2-3 см на линиях от 10 км) на одних и тех же сырых измерительных данных, навигационной и прочей информации. Дело во-первых, в разных (и закрытых!) алгоритмах, во-вторых, конечно же, в несовершенстве учета влияния источников искажения сигнала (в основном это ионосферная и тропосферная рефракция), дающем о себе знать на расстояниях, начиная примерно с 20 км. Включая в свой достаточно наукоемкий софт соответствующие модели большей или меньшей сложности и адекватности, создатели коммерческих продуктов осознавали, что построение совершенной модели прохождения радиосигнала через атмосферу является задачей, не решаемой их одиночными усилиями. Здесь последнее слово оставалось за научным сообществом, которое, конечно, не могло удовлетвориться использованием GPS как набором «черных ящиков». Впрочем, со своими сугубо прикладными задачами эти программы и тогда справлялись хорошо, а сейчас еще лучше. Но на миллиметровые точности на расстояниях в сотни и тысячи километров претендуют другие программы, речь о которых еще впереди.

И все же на первом месте стояла другая проблема. Одним из существенных пробелов в то время была низкая точность бортовых эфемерид и показаний часов спутников. Последние намеренно искажались вплоть до мая 2000 года. Что касается орбит, то вспомним, как работает сегмент контроля и управления GPS. Пять станций слежения, расположенных вдоль экватора, обеспечивают траекторными измерениями вычислительный центр, в котором рассчитывают, а затем экстраполируют на сутки вперед орбитальные дуги. После чего эфемериды транслируются на спутники, чтобы через них дойти до пользователя в навигационных сообщениях. Точность предсказания орбиты тогда, как и сейчас, оценивалась в 3-10 метров. Считалось, что служба управления намеренно загрубляет бортовые эфемериды, как и поправки часов, чтобы предоставлять более точные значения военным. Однако сейчас, после снятия SA, представляется вероятным, что при такой конфигурации сегмента контроля она не способна получать орбиты точнее. Отметим, что на определение небольших приращений координат названная ошибка положения спутника практически не повлияет: погрешность базовой линии составляет около 1 мм на 10 км, однако все разработчики софта постобработки поспешили добавить у себя поддержку точных эфемерид.

Система GPS сразу после появления стала предметом особого интереса научного сообщества, что безусловно повлияло на ее статус. Несколько центров, занимающихся космической геодезией и геофизикой и входящих в Международную ассоциацию геодезии (IAG), увидели в GPS идеальный инструмент обкатки алгоритмов расчета движения спутников и перспективное средство изучения характеристик вращения Земли, интересующие как геофизиков, так и национальные службы времени, и главное — мониторинга деформаций земной коры.

Судите сами. Высокие орбиты, а значит отсутствие неинерциальных сил атмосферного торможения (остается солнечный ветер), нечувствительность к высоким гармоникам потенциала земного тяготения — уравнения движения имеют более простую форму. Возможность одновременных наблюдений нескольких спутников на длительных интервалах с любой дискретностью записи, всепогодность, недорогая и мобильная приемная аппаратура — можно сочетать геометрический и динамический (орбитальный) методы. Все это вместе трудно было вообразить ранее. Два других «кита» нынешней космической геодезии — лазерная локация ИСЗ (SLR) и интерферометрия со сверхдлинной базой (VLBI) не могли сравниться с GPS прежде всего в насыщенности и непрерывности изучаемой информации. Наконец, как раз тогда только что появилась возможность оперативно передавать данные в удаленный центр обработки — молодость GPS совпала с детством Интернета. Оставалось только реализовать эти преимущества.

Вообще говоря, задача была не новой, а для космической геодезии уже типичной: по наблюдениям уточнить траекторию движения спутников (орбитальный метод), скрупулезно подбирая модели всех действующих сил и тщательно отлаживая процесс численного интегрирования — и одновременно с этим уточнять координаты наземных пунктов наблюдения (геометрическим методом). Чем больше таких пунктов и чем более они распределены по земному шару, тем заметнее выигрыш за счет геометрических условий и большей представительности данных. Чувствительность метода дала возможность получить доступ к величинам более высокого порядка: параметрам ориентации мгновенной земной оси, задающим связь двух геоцентрических систем координат: вращающейся общеземной и инерциальной. Наконец оказалось, попутно (уже после уточнения орбит и координат), можно получить и массу побочной информации: уточнить поправки часов каждого из спутников, построить картину распределения свободных заряженных частиц в ионосфере и многое другое.

Новой была идея создать независимую и некоммерческую сервисную службу, занимающуюся этим на постоянной основе. В эту основу лег и свободный доступ ко всей измерительной информации, равно как и к результатам деятельности всех составляющих ее звеньев. И, в отличие от предыдущих подобных проектов, потребителями этого сервиса становятся не только астрономы и геофизики, но и все те же геодезисты, у которых снимается большая головная боль — где взять единую систему координат.

Первая тестовая кампания была запущена в 1992 г. после создания рабочей группы под эгидой IAG (Международной Ассоциации геодезии) и подготовки несколькими центрами в Европе и Америке программ для уточнения орбит. Так появились GAMIT/GLOBK (Массачусетский технологический институт, MIT), GIPSY (Лаборатория реактивного движения, JPL) и BERNESE (Европейский центр определения орбит, CODE). Первые станции располагались на обсерваториях вблизи пунктов SLR и VLBI, достаточно хорошо определенных к тому времени в общеземной системе координат. Сеть состояла из примерно 20 станций c Р-кодовыми приемниками. Впоследствии число станций стало стремительно расти и на сегодняшний день приближается к четыремстам. С 1 января 1994 г. IGS перешла из стадии пилотного проекта в рабочий режим.

Источник: www.geo-garant.ru