Характеристика эфемеридной информации

Одной из основных проблем, является знание точных координат НИСЗ как навигационного ориентира на момент измерения радионавигационного параметра, ведь иначе координат потребителя не определить.

Для определения орбиты спутника и его положения на ней можно воспользоваться известными в астрономии законами Кеплера.

Каждая орбита может характеризоваться шестью независимыми параметрами: i, Ω, р, е, ω,τ, которые называются кеплеровскими ОЭ орбиты и полностью определяют ее геометрию, положение относительно Земли и движение спутника по ней.

Основные кеплеровские оскулирующие элементы (рис. 4.2):

- наклонение орбиты i - угол между плоскостями экватора и орбиты, отсчитываемый против часовой стрелки от 0 до π. Вершиной этого угла является восходящий узел. В зависимости от наклонения орбиты НИСЗ подразделяются на экваториальные (i = 0 или 180⁰), полярные (i = 90⁰), наклонные (0 < i < 90⁰ - прямые орбиты, спутник движется по вращению Земли, 90⁰ < i < 180⁰ - обратные орбиты);

- долгота восходящего узла Ω – угол между направлением из центра Земли в точку весеннего равноденствия и линией узлов в направлении в восходящий узел. Линию пересечения плоскости орбиты с плоскостью земного экватора называют линией узлов. Точки пересечения этой линии с экватором называются узлами, причем точка, в которой орбита пересекает плоскость экватора при перемещении спутника из южного полушария в северное, называется восходящим узлом (N₁), а противоположная – нисходящим (N₂). Долгота восходящего узла отсчитывается от направления Гринвичского меридиана;

- аргумент перигея ω - угловое расстояние перигея от восходящего узла орбиты, отсчитывается по направлению движения спутника. Перигей - ближайшая точка орбиты к центру Земли, апогей – наиболее удаленная. Он определяет положение большой полуоси орбиты в пространстве и вычисляется по формуле:

ω = u + n,

где n - истинная аномалия, определяющая угол между линией апсид, линией соединяющей точки перигея и апогея орбиты, и радиусом-вектором НИСЗ;

u – аргумент широты, или фаза НИСЗ, представляющий собой угол, отсчитываемый в плоскости орбиты от линии узлов до радиуса-вектора спутника, и принимающий значения от 0 до 2p;

- эксцентриситет орбиты ;

- фокальный параметр орбиты р = b²/a;

- время прохождения спутника через перигей или восходящий узел t.

Как видно из рис. 4.2 и характеристики кеплеровских элементов, первые пять параметров характеризуют пространственное положение орбиты относительно центра Земли и ее геометрию, а шестой – положение спутника на орбите.

В реальных условиях при движении спутника вокруг Земли на него оказывают влияние целый ряд факторов. Степень влияния их прямым образом связана

Рис. 4.2

с высотой орбиты.

Основные факторы по степени влияния:

- нецентральность поля тяготения Земли (она геоид, и массы в ней распределены не равномерно);

- сопротивление атмосферы;

- Солнце, Луна и планеты и т.д.

Траектория движения спутника, т.е. орбита, будет непрерывно во времени изменяться. Спутник в каждый момент времени как бы движется по новой орбите, характеризуемой своим набором кеплеровских элементов.

Непрерывно изменяющаяся во времени орбита называется оскулирующей, а характеризующие ее элементы – оскулирующими.

Для повышения точности определения координат спутника, кроме шести основных элементов, определяются и включаются в число ОЭ поправки, учитывающие изменения орбиты во времени.

В отечественных СНС ОЭ используются в основном для решения задачи прогноза положения спутника на заданный момент времени для конкретной точки земной поверхности, они относятся к эфемеридной информации 2-го рода.

В среднеорбитальных СНС ОЭ всех спутников системы составляют альманах системы. Альманах системы позволяет в аппаратуре потребителя решать задачу «выбора рабочего созвездия».

В низкоорбитальных СНС типа «Цикада» ЭИ 2-го рода или альманах системы (оскулирующие элементы) используется для решения задач «целеуказания» (ЦУ)

или «прогноза» возможных сеансов обсерваций. Для решения навигационной задачи в ПИ отечественных СНС используется так называемая эфемеридная информация 1-го рода. При этом положение НИСЗ на конкретный момент времени определяют в правой прямоугольной геоцентрической экваториальной системе координат OXYZ, неподвижной относительно звезд (рис. 4.2). Центр этой системы координат находится в центре масс Земли, плоскость XОY совмещается с плоскостью экватора, ось ОX направлена в точку весеннего равноденствия.

Эфемеридная информация 1-го рода включает прямоугольные координаты спутника X, Y, Z, скорости их изменения X¢, Y¢, Z¢ на некоторый момент времени t₀.

Прямоугольные геоцентрические координаты спутника однозначно определяются через кеплеровские элементы орбиты в соответствии с выражениями:

X_C = r_c (cosΩ cosu – sinΩ sinu cosi);

Y_C = r_c (sinΩ cosu + cosΩ sinu cosi);

Z_C = r_c sinu sini,

где - модуль геоцентрического радиуса-вектора НИСЗ.

В СНС «Навстар» (GPS) для решения навигационной задачи (НЗ) используются ОЭ, которые коротко называются эфемериды. Эфемеридная информация для решения навигационной задачи уточняется, практически каждые 12 часов и закладывается на борт НИСЗ. Эфемеридная информация кодируется и в двоичном коде передается с борта НИСЗ кадрами в составе служебной информации.

Состав и назначение эфемеридной информации для СНС представлены на рис. 4.3.

Рис. 4.3

Орбиты спутников классифицируются по высоте:

- низкие, Н < 5000 км;

- средние, 5000 < Н < 22000 км;

- высокие, Н > 22000 км.

Среди высоких орбит выделяются синхронные орбиты с Н = 35870 км, период обращения спутника по которым равен 24 ч. Синхронные спутники называют геостационарными, неподвижными относительно Земли.

В зависимости от высоты орбиты над поверхностью Земли СНС подразделяются на низкоорбитальные (типа «Цикада»), среднеорбитальные (типа ГЛОНАСС и «Навстар») и высокоорбитальные.

От периода обращения и от высоты орбиты, зависит длительность нахождения спутника над радиогоризонтом наблюдателя. Чем выше орбита, тем более длительное время НИСЗ находится на радиовидимости аппаратуры потребителя, так как он медленнее перемещается относительно потребителя.

Основные направления повышения точности определения координат места потребителя по сигналам СНС связаны с повышением точности эфемерид, совершенствование методов и средств измерения РНП в аппаратуре потребителя.