GPS - Большой и серьезный
АрхивТехнологииВышла долгожданная пятая версия пакета BERNESE GPS Software, разработки Астрономического института Бернского университета. Что же собой представляют и для чего вообще существуют профессиональные программы обработки GPS.
О GPS "Терра" писала много, даже очень. Боюсь, у читателя сложилось убеждение, что исключительное назначение этой штуки с кнопками - чтоб мимо Киева не проехать в темноте. Тем более странно, что всегда движущаяся "на фронтире" передовых технологий "КТ" почему-то упорно обходила вниманием то, какие точности стали достижимы благодаря этой спутниковой системе и как распорядиться этими точностями. А пока...
Вышла долгожданная пятая версия пакета BERNESE GPS Software, разработки Астрономического института Бернского университета (AIUB). Но прежде чем рассказать о ней подробнее, давайте выясним, что собой представляют и для чего вообще существуют профессиональные программы обработки GPS. Совершенно не случайно выход новой версии оказался приурочен к празднованию в Берне десятилетнего юбилея одного из самых успешных глобальных научных проектов современности (Эти громкие эпитеты принадлежат Герхарду Бойтлеру из AIUB, профессору небесной механики, одному из "отцов-основателей" IGS. С материалами юбилейной сессии можно ознакомиться здесь), успевшего оформиться в виде международной некоммерческой службы под скромной аббревиатурой IGS, что расшифровывается как International GPS Service for Geodynamics. Чем она занимается? Главным образом, орбитами спутников GPS/GLONASS, а скоро, наверное, и Galileo. Что в ней примечательного? Хотя бы то, что точность, с которой выдается положение спутников в окончательных (IGS-final) эфемеридах - эта точность оценивается на уровне менее 5 сантиметров. Представьте себе спутник GPS размером порядка 5 метров, летящий на высоте 20200 км над землей со скоростью 3 км/с - много ли вы назовете объектов вокруг нас, определенных во времени и пространстве с такой относительной погрешностью?
Сколько стоят черные ящики
Итак, мысленно вернемся на двенадцать 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.
О системах координат
Давайте спросим, в какой системе выдает координаты GPS-приемник.
- В WGS-84! – ответят грамотные пользователи.
- А почему?
- Потому что в этой системе заданы орбиты спутников, по которым он определяет свое положение!
Все правильно. Только, поскольку мы уже знаем точность навигационных орбит, полученные нами непосредственно координаты WGS-84 не могут быть точнее тех же двух-трех метров. Это и есть точность реализации системы WGS-84. IGS ввела свою систему геоцентрических координат на основе рекомендаций Международной службы вращения Земли. Она называется ITRF и задается координатами некоторого набора пунктов (около 50), из числа наиболее стабильных и долговременных станций IGS, расположенных к тому же вдали от границ тектонических плит. Эфемериды спутников тоже выдаются в ITRF. Эту систему можно считать преемницей WGS-84 для достигнутого ныне уровня точностей. Обе системы имеют начало в центре масс Земли и задаются на равных эллипсоидах. Система ITRF претерпела несколько реализаций (последняя - ITRF2000), различающихся на сантиметровом уровне. Помимо координат, в ITRF заданы годовые скорости смещений, которые тоже со временем уточняются. По ним можно легко пересчитать координаты на нужную эпоху.
WGS-84 сейчас стала де-факто международной системой навигации. Все аэропорты мира, согласно требованиям ICAO, определяют свои аэронавигационные ориентиры в WGS-84. Россия не является исключением. С 1999 г. издаются распоряжения о ее использовании в системе нашей гражданской авиации (Последние распоряжения Минтранса № НА-165-р от 20.05.02 г. "О выполнении работ по геодезической съемке аэронавигационных ориентиров гражданских аэродромов и воздушных трасс России" и № НА-21-р от 04.02.03 г. "О введении в действие рекомендаций по подготовке ... к полетам в системе точной зональной навигации ...", (см. www.szrcai.ru), но до сих пор нет ясности в главном - станет ли эта информация открытой (иначе она теряет смысл), а это зависит от совсем других ведомств, к открытости не склонных. Для сравнения: координаты концов взлетно-посадочной полосы аэродрома с разрешением 0,01" (0,3 м) сегодня выдают Казахстан, Молдова и страны бывшей Прибалтики; 0,1" (3 м) - Украина и страны Закавказья; и только Россия, Белоруссия и вся Средняя Азия открывают эти важнейшие для навигации данные с точностью 0,1' (180 м).
У нас есть и своя общеземная система координат, альтернатива WGS-84, которая используется в ГЛОНАСС. Она называется ПЗ-90, разработана нашими военными, и кроме них, по большому счету, никому не интересна, хотя и возведена в ранг государственной.
Наша государственная система координат - "Система координат 1942 г.", или СК-42, (как и пришедшая ей недавно на смену СК-95) отличается тем, что, во-первых, основана на эллипсоиде Красовского, несколько большем по размерам, чем эллипсоид WGS-84, и во-вторых, "наш" эллипсоид сдвинут (примерно на 150 м) и слегка развернут относительно общеземного. Всё потому, что наша геодезическая сеть покрыла шестую часть суши еще до появления всяких спутников. Эти отличия приводят к погрешности GPS на наших картах порядка 0,2 км. После учета параметров перехода (они имеются в любом Garmin’e) эти погрешности устраняются для навигационной точности. Но, увы, не для геодезической: точных единых параметров связи координат не существует, и виной тому локальные рассогласования внутри государственной сети. Геодезистам приходится для каждого отдельного района самим искать параметры трансформирования в местную систему.
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 (рис. 2). С 1 января 1994 г. IGS перешла из стадии пилотного проекта в рабочий режим (что и стало поводом торжеств, упомянутых в начале).
Тектонические движения данных
Опишем вкратце "устройство" IGS. Самыми нижними звеньями являются станции наблюдений. Их перечень можно посмотреть здесь. Они работают непрерывно и передают RINEX-файлы в центры накопления данных ежесуточно, а в последнее время центры обработки запрашивают ежечасные данные для оперативного предсказания орбит (Ultra Rapid products). В принципе, войти в этот список может любая организация (форма заявки дана на сайте), располагающая приемниками нужного типа и удовлетворяющая ряду непростых требований, в основном касающихся стабильности работы и надежности канала передачи данных. Многие приемники администрируются полностью через Интернет. Станции, состоящие при метрологических институтах, имеют возможность подключить к приемнику внешний генератор частоты, рубидиевый или водородный - такая опция здесь весьма ценится. На каждую станцию ведется специальный лог-файл, содержащий описание пункта и фиксирующий все события, вроде смены антенны, апгрейда программного обеспечения приемника и прочее. На территории России сейчас работают 13 станций IGS.
Измерения поступают через центры оперативного сбора данных (Operational Data Centers) в региональные (Regional Data Centers) и затем в глобальные (Global Data Centers) центры хранения данных. Здесь предусмотрено дублирование на случай штатной или нештатной остановки сервера какого-либо из центров. Отсюда предоставляется доступ центрам обработки, а также общий публичный доступ. Краткое, но исчерпывающее описание дано здесь.
О центрах обработки (Analysis Centers) нужно сказать особо. Здесь происходит самое главное - собственно весь цикл вычислений, направленных на извлечение неизвестных параметров из массивов фазовых и кодовых отсчетов, а также вся деятельность по отладке и развитию этого процесса. Здесь тоже действуют жесткие временные требования на выдачу результатов. Сегодня таких центров десять, по обе стороны Атлантики. Независимость используемых алгоритмов декларируется как обязательное условие. Открытость кода - как необязательное, но желательное (примеры GAMIT и BERNESE). Можно также сказать, что имеет место негласное соперничество американской и европейской научных школ, и паритет в целом соблюдается. Каждый центр "ведет" свой кусок глобальной сети, и далеко не все станции могут быть обработаны в нескольких центрах сразу. Более того, существует согласованный список пунктов (IGS Core), которые в обязательном порядке обрабатываются минимум тремя центрами, причем один должен находиться на другом континенте. Список с адресами в таблице.
По адресу ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/center для каждого центра обработки дана краткая справка по используемым программам и платформе, стратегии вычислений, моделям, публикуемым данным, а для центров хранения данных - дерево каталогов ftp-сервера. Некоторые центры, например, SIO, предоставляют удобный веб-интерфейс с сервисом по высшему разряду: поиском данных по запросу, интерактивными картами и даже онлайновой обработкой ваших данных программой GAMIT: достаточно указать ссылку на место, где лежит ваш RINEX-файл (Только не вздумайте поддаваться на такие провокации. RINEX-файл позволяет получить координаты точнее 30 метров, а значит является сведениями, содержащими гостайну).
Отдельная роль отводится координатору центров обработки. Его задача, получив однотипные решения из центров обработки (как то: орбиты, координаты станций, поправки часов, параметры вращения Земли), вывести средние весовые значения и опубликовать их как официальные продукты IGS. Они размещаются на сервере Центрального бюро IGS и дублируются в глобальных центрах хранения данных.
Наконец, руководящие функции возложены на Центральное Бюро. Помимо прочего, оно занимается согласованием и утверждением форматов обмена данными. Описание форматов лежит здесь.
О высотах
Высота над уровнем моря, при кажущейся очевидности, является довольно тонким и неоднозначным понятием, поскольку является по сути расстоянием между уровенными поверхностями неоднородного поля силы тяжести g (суммы гравитационного поля и центробежного потенциала). Уровенная поверхность, принятая за начало отсчета, называется геоидом. Геоидом называют также невозмущенную поверхность морей и океанов. А вот под материками отследить ее оказалось чрезвычайно сложно. Выдающийся российский ученый М.С. Молоденский в 60-е годы доказал, что корректно эту задачу решить нельзя, и разработал строгий (но достаточно сложный) метод вычисления высот по наземным измерениям - нивелировке и гравиметрии (без реконструкции геоида), введя систему так называемых нормальных высот, отсчитываемых от эллипсоида Красовского. Эта система и принята у нас в качестве государственной (Балтийская система 1977 года).
На западе пошли другим путем - стали аппроксимировать геоид глобальными и локальными моделями по спутниковым и гравиметрическим данным. "Их" высоты отсчитываются от некоторой принятой модели геоида и называются ортометрическими.
Наконец, высоты, понимаемые как геометрические расстояния до математической поверхности некоторого (произвольного) эллипсоида (а с помощью GPS получаются именно такие высоты), называются эллипсоидальными или геодезическими.
Старую (одну из лучших в мире) школу геодезии сменяет поколение, быстро освоившее новейшую аппаратуру и не слишком желающее разбираться в теории. В результате мы повсеместно наблюдаем чудовищную неразбериху в терминах.
Отдел готовой продукции
Все продукты IGS представлены в виде текстовых файлов, упакованных Unix-компрессией.
Орбиты спутников даны в виде значений геоцентрических координат с интервалом в 15 минут. Система координат - ITRF. Эфемериды бывают трех видов:
Точность соответственно варьируется от 0,05 до 0,1 м.
Вычисляются и орбиты спутников ГЛОНАСС (гораздо менее востребованные на сегодняшний день). Их точность 30 см.
Поправки часов спутников GPS (отдельно для каждого спутника - относительно единой шкалы системного времени) уже содержатся в файлах орбит. Те же значения, но с интервалом уже в 5 минут, а также поправки часов примерно сотни наземных станций с этим же интервалом даются на каждые сутки в Final и Rapid вариантах с точностью 0,05 и 0,1 нс. Эти данные весьма интересуют тех, кто занимается синхронизацией временных шкал - например, метрологов.
Текущие значения координат станций наблюдения
Вообще твердые координаты станций IGS даются в каталоге, и пользователю нужно лишь привести их к нужной эпохе. Если же есть потребность "вживую" отслеживать их изменение во времени и самостоятельно оценивать реальную погрешность их получения - вся необходимая информация на недельный интервал, включая весовые матрицы, находится в специальном текстовом SINEX-файле.
Параметры вращения Земли
Сложное движение земной оси в пространстве может быть разделено на составляющие:
У параметров вращения Земли есть очень важная функция: они задают углы поворота координатных осей для перехода из ITRF в инерциальную систему и обратно. Их необходимо знать, поскольку в инерциальной системе интегрируется движение спутников. Для геометрических методов достаточно одной ITRF.
Атмосферные параметры
Это уже в чистом виде "побочный продукт" технологии.
Вариации полной тропосферной поправки для станций наблюдения вычисляются с двухчасовым разрешением и точностью 4 мм для Final и 6 мм для Ultra-Rapid. Даже для метеорологов они вряд ли могут быть полезными (а для высокоточной высотной привязки к этим станциям - могут).
Гораздо эффектнее смотрятся глобальные ионосферные карты - "снимки" следов солнечной активности в верхней атмосфере Земли. В анимированном виде ими можно полюбоваться здесь. На рис. 4 - результаты измерений в октябре 2003 г., когда была зафиксирована рекордная солнечная активность.
В численном виде глобальные ионосферные карты IGS представляют собой коэффициенты разложения плотности заряженных частиц по сферическим функциям на интервалах в 2 часа. Доступны пока только в Final-варианте, но скоро появятся и оперативные Ultra-Rapid продукты.
Что дальше
Вернее, не дальше, а глубже, поскольку из сугубо практической области геодезии мы переместились в сферы фундаментальных наук о Земле.
IGS - лишь один из десятка сервисов IAG. Аналогичным образом работают службы лазерной локации, вращения Земли, изучения приливов и уровня моря, гравитационного поля и геоида, измерения времени и радиоинтерферометрии. Сегодня они прообраз единой инфраструктуры геодезического мониторинга нашей планеты. Сюда же относятся ряд проектов со спутниками, таких как CHAMP и GRACE (см. новости "KT" #422). После недавней реорганизации IAG планы стали еще амбициозней. На очереди новый проект - IGGOS (Integrated Global Geodetic Observing System), где стоит задача отслеживания в реальном времени глобальных перемещений масс в системе "твердая Земля - океаны - атмосфера". Заявленный уровень для относительной погрешности выдаваемых значений - 1 ppb (то есть 10–9), и нет никаких сомнений, что он будет достигнут.
Что умеет BERNESE
Начнем с самого невероятного. Программа стоит 12000 франков (1500 - для университетов), - и при этом распространяется с открытыми исходными кодами! Пользователь может вносить в них изменения и самостоятельно исправлять обнаруженные ошибки или подключать обновления (а также дописывать модули сообразно своим нуждам). Разумеется, требуется фортрановский компилятор. Думается, это тот редкий случай, когда легкость копирования кода компенсируется сложностью эксплуатации.
Существуют версии для UNIX, включая Linux, а также для Windows. Имеется строгий меню-интерфейс, впрочем, и он нужен не всем - вычислениями могут полностью управлять скрипты на языке Perl.
Вот малая часть того, что умеет пакет (часть, наиболее привлекательная для геодезистов):
С полным перечнем можно ознакомиться здесь.
- Из журнала "Компьютерра"
