Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) представляют собой новое поколение навигационных систем, активно используемых человечеством. Эти системы представляют интерес также для научных исследований, поскольку позволяют получить данные о форме и движении земной поверхности, параметрах атмосферы и процессах, происходящих в ней. Для решения задач, связанных с исследованием атмосферы, необходимо создать пакет программ, позволяющих определять положение спутников ГНСС в пространстве относительно точки наблюдения во времени.
а. Актуальность. Процессы, происходящие в атмосфере, важны как с точки зрения фундаментальной науки (изучение структур и явлений окружающего мира), так и с точки зрения прикладных исследований (распространение радиоволн, построения моделей). По изменению принимаемых сигналов спутников ГНСС судят о процессах, происходящих в ионосфере. Основным определяемым параметром является полное электронное содержание (ПЭС) (число свободных электронов вдоль луча зрения от приемника на земле до передатчика на спутнике). Для более точного исследования этих процессов (поведение ПЭС) с помощью спутников ГНСС важно знать расположение источника возмущения, оказавшего влияние на сигналы спутников ГНСС. Расположение источника возмущения можно оценить только зная геометрию эксперимента, в нашем случае положение спутников, сигналы которых принимаются (координаты приемного пункта известны). Получаемые данные (ПЭС) привязаны к линии зрения приемник-спутник. Тем самым нельзя сказать, где располагался источник возмущения, регистрируемый в эксперименте, можно только сказать, что он был где-то на этой линии зрения. Важным элементом расчета (предполагаемым, модельным) является так называемая ионосферная высота – высота на поверхностью земли, к которой относят наблюдаемые изменения в получаемых данных (ПЭС). Это позволяет привязать их к высоте, а, следовательно, к широте, долготе, тем самым построить трехмерную картину пространства и положение возмущения в нем. Поскольку запись данных идет во времени, то это позволяет построить пространственно-временную картину изменения ПЭС.
Работа состоит из нескольких этапов.
б1. Нахождение координат спутников для выбранного промежутка времени. Здесь возможно использовать четыре варианта:
i. Использовать программу Ocupation Planing. Эта программа для выбранного участка времени по записанным данным приемником данных со спутника дает положение спутника для каждой минуты. Эта работа выполняется вручную и дает приближенные значения координат (координаты, угол места, азимут спутника), а также точность определения координат. Этот вариант можно использовать для проверки расчета координат спутников по другим методикам.
ii. Использовать файл с координатами спутников формата SP3. Этот файл содержит координаты спутников для каждых 15 минут. Значения координат внутри интервала можно находить путем интерполяции значений координат, используя данные в соседние временные значения. Эти 15-минутные данные даются через некоторое время после пролетов спутников после обработки данных об их пролетах в центрах данных ГНСС.
iii. Использовать файлы TLE (two-line element set), содержащие набор данных для расчета координат спутников. Для расчета с использованием этих данных используют стандартный алгоритм, который описан в модели SGP (4, 8) и который может использовать формат TLE для вычисления точного положения спутника в определенное время.
iv. Использовать стандартные навигационные файлы RINEX, которые находятся в сети ИНТЕРНЕТ или из наблюдений. Расчет координат с использованием этих данных идет по алгоритмам, описанным в различных источниках (прежде всего в технической документации ГНСС, а затем в различных книгах, посвященных ГНСС).
в. Этапы:
в1. Ознакомление с ГНСС.
в2. Системы координат в ГНСС.
в3. Ознакомление с элементами орбит искусственных спутников Земли.
в4. Получение координат из б1. Построение трехмерной картины для одного спутника.
в5. Получение координат из б2.
в6. Получение координат для спутников в районе пункта наблюдения методом интерполяции.
в7. Построение трехмерной картины положения спутников для выбранного пункта и интервала времени.
в8. Изучение моделей SGP4/SDP4/SDP8 и файла TLE. Выбор модели для расчета координат спутников.
в9. Расчет координат спутников по выбранной модели. Сравнение с результатами расчетов пп.б1 и б2.
в10. Ознакомление в файлами ГНСС RINEX.
в11. Ознакомление с алгоритмами расчетов координат по файлам RINEX для спутников GPS и ГЛОНАСС.
в12. Написание программ расчета координат по данным навигационных файлов RINEX.
в13. Основные сведения о строении атмосферы, ионосферы и магнитосферы.
в14. Расчет положения ионосферной точки по выбранной высоте.