Éphémérides et almanach leur but. GPS : concepts et termes de base

Les oscillations porteuses du satellite sont modulées en phase par les signaux codés. Revenons à la considération des codes, commencée à la section 3.1.

Selon les caractéristiques statistiques, les codes sont aléatoires, ils forment donc un signal large bande. La longueur de cohérence d'un tel signal est petite, par conséquent, pendant le traitement de corrélation, un maximum principal étroit et unique de la fonction de corrélation est obtenu. À son tour, cela permet de mesurer sans ambiguïté et avec une grande précision le retard temporel en mode code. L'équipement de réception-enregistrement, qui ne "connaît" pas les schémas de formation du code, percevra le signal satellite comme du bruit, aléatoire. En fait, les codes se forment naturellement, bien que la forme de la loi soit complexe. Pour cette raison, le signal satellite est appelé pseudo-bruit, et les codes sont pseudo-aléatoire.

Il existe deux types de codes de mesure. Code de diffusion facilement accessible et facilement détectable - Code C/A - Code d'acquisition grossière. Code P exact - Code de précision. Le satellite a un code C/A individuel qui se répète toutes les millisecondes. Le récepteur identifie et capte le signal satellite sur la fréquence L1 facile, puisque cette fréquence est modulée avec un code C/A. La situation est beaucoup plus compliquée avec la captation d'un signal satellite à une fréquence L2, c'est-à-dire à la seconde fréquence porteuse. Le code C/A ne lui est pas appliqué, de sorte que l'acquisition du signal et les observations ultérieures ne sont possibles que dans le code P. Cela complique le travail de l'utilisateur et cette difficulté est volontairement intégrée à la structure du système.

Un satellite à une époque donnée a un code P qui se répète toutes les deux semaines. Dans le même temps, l'ensemble du code R dans son ensemble est inhérent au système. La durée du code P du système est de 266,4 jours. En d'autres termes, tout le code P long du système est divisé en segments hebdomadaires, des intervalles. Chaque segment d'une époque donnée est attribué à un satellite spécifique. Au départ, seuls les utilisateurs autorisés, principalement l'armée américaine, avaient accès au code R. Désormais, l'équipement de presque tous les utilisateurs a accès au code R. Cet accès est compliqué par le fait que le signal en code P est soumis à un codage supplémentaire (chiffrement) par le code dit Y. Comme indiqué dans la littérature, cela est fait afin d'éviter la possibilité d'une perturbation du système par des interférences externes. Ce mode de fonctionnement est appelé Anti-Spoofing (AS) - un mode de lutte contre l'exposition non autorisée. Cela revient à utiliser le code Y. À son tour, le codage Y est l'échange de segments hebdomadaires du code P entre les satellites dans une séquence connue uniquement du personnel contrôlant le système. Si cette séquence est inconnue de l'utilisateur, c'est-à-dire que son récepteur ne contient pas la puce correspondante, il n'est alors pas possible de capturer le signal dans le code P sur la deuxième fréquence porteuse et une double fréquence coûteuse et de haute précision le récepteur ne peut fonctionner que comme un récepteur à fréquence unique. Les fabricants d'équipements ont cependant surmonté ces difficultés d'une manière ou d'une autre, par exemple en payant pour pouvoir installer des puces appropriées dans les récepteurs. Par conséquent, il semble que le besoin de codage Y ait disparu.

Les observations dans le code C/A sont appelées service de positionnement standard (SPS) - service de positionnement standard. Les coordonnées de navigation dans ce mode sont déterminées avec une erreur de 100 à 200 mètres. Les observations de code P sont appelées Precise Positioning Service (PPS) - Precise Positioning Service. Les coordonnées de navigation dans ce mode sont déterminées avec une erreur de l'ordre de 10 à 20 mètres.

Que sont les tables d'éphémérides astrologiques ? Pourquoi sont-ils nécessaires ? En astronomie, une éphéméride est un tableau de l'emplacement céleste de la Lune, du Soleil, des planètes et d'autres objets spatiaux, calculé sur les mêmes périodes de temps. Par exemple, à midi du soir tous les jours.

Les éphémérides stellaires sont des tables qui indiquent la position apparente des astres, sous l'influence de la nutation, de la procession et de l'aberration. En outre, une éphéméride est une formule qui calcule le moment d'arrivée du prochain moment de minimum pour les systèmes variables obscurcis d'étoiles.

Application

Comment sont utilisées les tables d'éphémérides ? Avec l'aide d'eux, les coordonnées de l'observateur sont déterminées. Ce terme fait également référence aux données de position des satellites synthétiques de la Terre utilisés pour la navigation, par exemple, dans les systèmes NAVSTAR (GPS), Galileo, Glonass.

Des informations sur l'emplacement des satellites sont présentées dans le cadre de messages spéciaux. Dans ces circonstances, on parle de transmission d'éphémérides.

Éditions historiques

On sait qu'en 1474 Regiomontanus publia ses fameuses tables d'éphémérides à Nuremberg. Ce travail contenait des éphémérides pour 1475-1506, qui étaient calculées pour chaque jour. Ce livre contenait des tableaux des positions des planètes, des conditions de conjonction des astres et des éclipses.

Éditions modernes

Aujourd'hui, des tables d'éphémérides sont publiées dans les plus importantes collections astrologiques : Astronomical Yearbook (publié par l'Académie russe des sciences depuis 1921), Nautical Almanac, American Ephemeris, Berliner Astronomisches, Connaissance des Temps. De plus, il existe des sites avec lesquels vous pouvez calculer des éphémérides. Ils sont créés à la fois par des passionnés et des professionnels.

Ainsi, on sait qu'Espeñac Fred a publié les données de position des planètes du système solaire, la Lune et le Soleil pour 1995-2006 sur le site de la NASA. Et sur le site Web de l'Institut pour le calcul des éphémérides et de la mécanique céleste, il y a un calculateur pour les coordonnées des objets spatiaux. De plus, il existe une bibliothèque avec laquelle vous pouvez effectuer des calculs astronomiques sur une feuille Excel en utilisant les éphémérides suisses, JPL et Moschier.

Paiement

Les tables d'éphémérides sont en service chez chaque astrologue. Aujourd'hui, le mouvement des objets autour du Soleil a été très bien étudié. Diverses associations astrologiques ont créé des formes mathématiques pour calculer les éphémérides qui rivalisent de précision. Ces échantillons sont décrits dans des publications astronomiques spéciales.

vieille théorie

La version ILE est une amélioration de la théorie de Brown. Il a été proposé pour la première fois par E. W. Brown en 1919 dans son ouvrage Tables of the Movement of the Moon, qui a été amélioré par W. J. Eckert en 1954 dans son ouvrage The Improved Lunar Ephemeris. Par la suite, plusieurs modifications ont été apportées à la théorie.

Ce modèle était auparavant utilisé par F. Espegnac pour calculer les éclipses fournies par le site de la NASA.

Nouvelle solution

La version VSOP82 décrit le mouvement des planètes autour du Soleil. Elle a été proposée en 1982 par P. Bretagnon et publiée dans l'almanach astrologique "Astrophysique et Astronomie" sous le titre "Théorie du mouvement de toutes les planètes - la solution de VSOP82".

Une autre version

La version ELP 2000 ne décrit que les éphémérides de la Lune. Il a été publié dans la collection astrologique "Astrophysique et Astronomie" en 1983 par M. Chapron-Thuzet et J. Chapron, ainsi que dans l'article "Ephemerides of the Moon ELP 2000". Cette théorie contient 7684 termes périodiques pour la latitude écliptique de la Lune, 20560 pour la longitude écliptique et 9618 pour la distance. L'amplitude des termes inférieurs correspond à 2 cm pour les distances et 0,00001 seconde d'arc. Sous une forme simplifiée, le modèle est utilisé par F. Espegnac pour calculer les éclipses publiées sur le site de la NASA.

Publications de l'URSS

Et que dire de l'astrologie domestique ? Sur la base de la version DE200/LE200, il publie les éphémérides de la Lune, du Soleil et des planètes "Annuaire astrologique de l'URSS" (depuis 1986).

Modèle de laboratoire JPL

La version DE403/LE403 décrit le mouvement des planètes autour du Soleil et se concentre sur les coordonnées de la Lune. Il a été développé par le personnel du laboratoire JPL Standish, Williams, Newhall et Faulkner. Elle a été publiée dans l'article "Lunar and Planetary Ephemerides JPL DE403/LE403" (1995) dans une édition spéciale dudit laboratoire. Il existe aujourd'hui de nouvelles tables d'éphémérides développées par JPL.

Tables pratiques

La position des planètes a été calculée par les astrologues pendant de nombreuses années et les résultats des calculs ont été traduits en tableaux. Ils contiennent des données sur les positions visibles des planètes, qui sont calculées à l'aide d'un ordinateur, guidé par les lois de la mécanique spatiale. Les positions des objets célestes dans les tables sont spécifiées avec un pas spécifique, indiquant la durée entre deux instants liés pour lesquels le calcul est effectué. Il est commode d'appliquer les tableaux suivants par incréments d'un jour :

• Tableau des éphémérides américaines de Michelson pour le 21e siècle de 2001 à 2050 et pour le 20e siècle de 1900 à 2000.
• Éphémérides rosicruciennes (1900-2000).
• Tables de Raphaël (positions des planètes pour chaque année).

On sait que dans les éphémérides de Michelson la position des objets célestes est donnée au minuit de Greenwich de chaque jour, et les données sont présentées mensuellement. Chaque page contient les valeurs des longitudes des planètes pendant deux mois sous la forme d'une paire de blocs (Longitude).

En 1973, ces programmes ont été fusionnés en un seul et l'US Air Force a été nommée pour diriger le développement du système. Ce fut le début de l'histoire de la construction du système NAVSTAR (Navigation Satellite Timing and Ranging) - système mondial emplacement (Système de positionnement global). Depuis 1983, après que les civils ont eu accès à ses informations, et en 1991, les restrictions sur la vente d'équipements GPS aux pays de l'ex-URSS ont été levées, l'abréviation bien connue GPS s'est généralisée.

Il était initialement prévu que le système serve au guidage de haute précision des missiles de combat, et les fonctions de navigation du système ont été reléguées au second plan.

Le premier satellite du système a été lancé en 1978, et la plupart des satellites du système ont été lancés en orbite au milieu des années 1980. En 1994, un satellite est mis en orbite, ce qui permet d'achever la construction d'un système de 24 satellites.

La période d'un satellite en orbite est d'environ 10 ans. Les satellites arrivés à expiration sont systématiquement retirés du système et éliminés.

La Russie a un système similaire navigation par satellite GLONASS (GLOBAL NAVIGATION Spoutnik System), dont le principe de fonctionnement est à bien des égards similaire au GPS, dont la précision de détermination des coordonnées est cependant nettement inférieure.

Les systèmes de radionavigation par satellite sont des systèmes spatiaux tous temps. Ils vous permettent de déterminer l'emplacement actuel des objets en mouvement et leur vitesse, ainsi que d'effectuer une coordination temporelle précise.

Le système comprend :

• constellation de satellites (segment spatial);
• réseau de stations au sol pour le suivi et le contrôle (segment de contrôle);
• Récepteurs GPS (équipement grand public).

Le segment spatial (constellation orbitale) du système GPS sur ce moment contient 24 satellites. Chaque satellite a un numéro de série (PRN), un total de 32 numéros sont réservés. Au 27 décembre 2005, il y avait 29 satellites fonctionnels en orbite, dont 5 avaient déjà terminé leur durée de vie ou s'apprêtaient à être mis en service. le système pour remplacer ceux qui sont usés. La période orbitale d'un satellite est de 11 heures 56,9 minutes. Le poids de chaque satellite est d'environ 835 kg, la taille linéaire est supérieure à 5 m (avec déploiement panneaux solaires). Une horloge atomique est installée à bord de chaque satellite, offrant une précision de 10 9 (0,000000001) s, un dispositif de codage informatique et un émetteur d'une puissance de 50 W. Les satellites sont placés sur 6 plans orbitaux. La hauteur des orbites est approximativement égale à 20 200 km, l'angle d'inclinaison des orbites est de 55 degrés (Fig. 1).

L'équipement émetteur émet des signaux sinusoïdaux à deux fréquences : L1 = 1575,42 MHz et L2 = 1227,60 MHz. Avant cela, les signaux sont modulés avec des séquences numériques pseudo-aléatoires (cette procédure est appelée modulation par déplacement de phase). De plus, la fréquence L1 est modulée par deux types de codes: C / A-code (code d'accès libre) et P-code (code d'accès autorisé), et la fréquence L2 - uniquement par le P-code. De plus, les deux fréquences porteuses sont en outre codées avec un message de navigation qui contient des données sur les orbites des satellites, des informations sur les paramètres atmosphériques et des corrections de temps système. La fréquence L1 est destinée à un large éventail de consommateurs civils, tandis que les signaux de fréquence L2 sont principalement accessibles par les services militaires et fédéraux américains. La précision de la détermination autonome de la distance à l'aide du code P est supérieure d'environ un ordre de grandeur à celle du code C/A.

Ces options d'emplacement de regroupement vaisseau spatial pas choisi au hasard. A tout moment, n'importe où dans le monde, vous pouvez recevoir des signaux d'au moins 3 satellites, ce qui est condition nécessaire détermination des coordonnées. Pour un positionnement plus précis, un signal d'un quatrième satellite est nécessaire.

Le segment sol du système est représenté par des stations de contrôle et de mesure pour la surveillance des satellites. Ils sont situés à Kwajalein, sur l'île de l'Ascension, à Hawaï, à Diego Garcia et à Colorado Springs. Le système dispose également de trois antennes terrestres (île de l'Ascension, Diego Garcia et Kwajalein). La gestion est effectuée à une station centrale située à la base aérienne de Shriver, Colorado (Schriever Air Force Base, Colorado).

Les récepteurs - navigateurs GPS - fonctionnent en conjonction avec les satellites. Le navigateur GPS reçoit des satellites les informations suivantes : "code pseudo-aléatoire" (PRN - code pseudo-aléatoire), "éphémérides" (ephimeris) et "almanach" (almanach). Par la présence de ces données dans les navigateurs GPS, le type de lancement ou, en d'autres termes, l'initialisation est déterminé (sous le début, nous entendons le début du processus d'obtention des données d'au moins 3 satellites, ce qui est suffisant pour la navigation 2D ). Chaque satellite ne transmet que ses propres éphémérides, tandis que l'almanach est transmis par chaque satellite sur tous les satellites à la fois. Le récepteur peut démarrer dans différents modes. Un "démarrage à froid" se produit lorsque les informations sur l'almanach et les éphémérides sont très obsolètes. Des données peuvent être perdues si le récepteur GPS est déplacé sur une longue distance ou si l'horloge du récepteur est éteinte. En règle générale, un "démarrage à froid" prend de plusieurs à 45 minutes. "Démarrage à chaud" - l'almanach a été conservé, mais les éphémérides ont déjà été perdues et l'horloge du récepteur "connaît" toujours l'heure exacte. Un tel démarrage prend moins de temps, de 30 secondes à 10-15 minutes, selon les conditions de réception. Dans ce cas, le récepteur GPS n'a besoin que de recevoir les données d'éphéméride. Et enfin, le démarrage le plus rapide est « à chaud ». Cela prend de quelques secondes à 5 minutes. Le « démarrage à chaud » peut être effectué lorsque le navigateur dispose à la fois d'un almanach et d'éphémérides.

Ainsi, pour la plupart, le temps entre la mise sous tension et le début de l'émission des coordonnées dépend du temps écoulé depuis que l'appareil a été éteint, ainsi que de la sensibilité de l'appareil ; modèle de récepteur affecte le taux d'acquisition des satellites dans une moindre mesure.

Le fonctionnement des équipements grand public peut être compris à partir du schéma généralisé (Fig. 2).

Le message principal transmis de chaque navigation Satellite GPS, formé comme un cadre. Le flux de données de navigation est transmis à un débit de 50 bps. La durée du symbole d'information "0" ou "1" est de 20 ms. Le cadre se compose de cinq sous-cadres, les quatrième et cinquième sous-cadres étant divisés en 25 pages chacun. Les sous-trames un à trois et chaque page des quatrième et cinquième sous-trames contiennent 300 caractères, qui sont divisés en 10 mots de 30 caractères par mot.

Le tableau 1 montre les informations transmises par le satellite de navigation.

Tableau 1.

Tableau 2.

L'heure zéro du GPS est déterminée à minuit les 5 et 6 janvier 1980. La semaine est la plus grande unité de temps du système GPS. Une semaine est définie comme 604 800 s.

Les éphémérides sont des paramètres raffinés du mouvement des satellites. A partir des données de l'almanach, le récepteur GPS "scanne" le ciel et, lors de la réception des données du satellite, affine ses éphémérides.

Riz. 3.

Pour comprendre comment un navigateur GPS détermine les coordonnées, il est nécessaire de comprendre le système de coordonnées dans lequel se déroulent le mouvement des satellites et la détermination des coordonnées des utilisateurs finaux.

Un observateur sur Terre peut imaginer la sphère céleste projetée sur un plan de sorte que le centre coïncide avec l'emplacement de l'observateur.

C'est dans cette projection que le navigateur GPS indique à l'utilisateur la position approximative des satellites (Fig. 3).

Comme on peut le voir sur la figure (capture d'écran du navigateur GPS), il y a neuf satellites en visibilité (la photo a été prise avec le mode de simulation activé, c'est-à-dire lorsque le navigateur ne capte pas les signaux des satellites, mais simule possible situations). En réalité, pas plus de huit satellites sont visibles sur la projection de la sphère, et les signaux sont reçus d'un maximum de quatre à six. La barre pleine au-dessus du numéro de satellite indique une réception stable des signaux et la hauteur de la barre vous permet d'évaluer la qualité de la réception. Au moment où le navigateur GPS commence à recevoir des informations du satellite, un rectangle non rempli apparaît au-dessus de son numéro. Il est peint lorsque les paramètres de l'orbite du satellite sont affinés et que les données sont reçues, sur la base desquelles les coordonnées de l'utilisateur sont directement calculées.

Les données du système satellitaire et les paramètres d'orbite des satellites sont calculés par rapport au centre de masse de la Terre. Utilisation des navigateurs GPS à domicile un système coordonnées, les plus populaires dans les systèmes de l'aviation civile, WGS-84.

Le système de coordonnées global WGS-84 est défini comme suit.

L'origine 0 est située au centre de masse de la Terre ;

• axe 0X - intersection du plan du méridien WGS-84 initial et du plan de l'équateur ;
• axe 0Z - dirigé vers le pôle Nord de la Terre ;
• axe 0Y - complète le système avec le bon système de coordonnées.

Le méridien initial de WGS-84 coïncide avec le premier méridien défini par le Bureau international du temps (BIN).

Compte tenu de la présence d'un signal d'un satellite (n° 1), de la vitesse connue de propagation d'un signal électromagnétique dans l'espace (300 000 km/s) et du temps mis par le signal pour atteindre le récepteur GPS du satellite, il est devenu possible de calculer l'emplacement géométrique des points de localisation du récepteur de signal (ils seront une sphère avec un rayon égal à la distance du satellite au récepteur, au centre de laquelle se trouve le satellite).

Si le navigateur GPS commence à recevoir des signaux du deuxième satellite, alors, comme dans le premier cas, une sphère est construite autour du satellite n°2. Puisque le récepteur GPS doit être situé sur les deux sphères à la fois, nous construisons maintenant l'intersection de deux sphères. Chaque point du cercle résultant peut être l'emplacement du récepteur dans l'espace.

Enfin, lorsque le récepteur capte un signal du satellite #3, une autre sphère est construite, lorsqu'elle coupe un cercle, cela nous donne deux points. En règle générale, l'un de ces points a un emplacement plutôt invraisemblable et, lors du calcul de l'algorithme, il est ignoré. Ainsi, nous obtenons le résultat : latitude et longitude.

Mais si l'on tient compte de l'énorme vitesse de propagation d'une onde électromagnétique, une erreur de calcul au millième de seconde peut entraîner des erreurs assez graves dans le calcul de la distance au satellite, puis dans la construction des sphères et la détermination des coordonnées. Ainsi, nous sommes arrivés à une nuance importante - un quatrième satellite est nécessaire pour déterminer correctement les coordonnées.

Après avoir construit trois sphères, le récepteur commence à manipuler avec un délai. A chaque nouveau décalage temporel du récepteur, de nouvelles sphères sont construites, leur point d'intersection se "flou" en un triangle. Autrement dit, les sphères cessent de se croiser et l'emplacement du récepteur GPS peut, avec une certaine probabilité, se situer à l'un des points de la zone triangulaire. Ensuite, les décalages temporels continuent jusqu'à ce que les trois sphères se croisent à nouveau en un point. Nous obtenons des coordonnées assez précises. Et plus le navigateur "voit" de satellites, plus nous pouvons corriger l'heure avec précision avec l'augmentation de la précision de positionnement qui en résulte. En présence du quatrième satellite, la soi-disant navigation 3D commence à fonctionner et nous sommes en mesure de déterminer la hauteur au-dessus du niveau de la mer, la vitesse de déplacement à la surface et la vitesse de déplacement vertical.

Un peu de précision. Lors de la création du système, le mode dit S/A (Disponibilité Sélective - accès limité). Ce mode est conçu pour empêcher un ennemi potentiel d'obtenir un avantage tactique dans le positionnement GPS. Le principe de fonctionnement de ce mode est de désaccoupler artificiellement les horloges du satellite et du récepteur. Par conséquent, même avec une bonne réception des signaux de plusieurs satellites, la précision ne dépassait pas 100 mètres. Cependant, en 2000, ce mode a été annulé et, officiellement, le système GPS a commencé à permettre de déterminer les coordonnées avec plus de précision. En règle générale, indiquez une précision de 20 ... 30 mètres. Si vous utilisez des algorithmes de post-traitement spéciaux, la précision peut être augmentée jusqu'à quelques millimètres, mais les systèmes géodésiques peuvent le faire. Pour travailler avec de tels systèmes, vous avez besoin d'un certificat et d'une autorisation, et leur coût dépasse de plusieurs dizaines de fois le coût des navigateurs domestiques.

La précision de la détermination des coordonnées est considérablement affectée par les erreurs qui se produisent pendant la procédure de mesure. La nature de ces erreurs est différente.

1. Timing inexact. Introduit une erreur de l'ordre de 1 mètre.
2. Erreurs dans le calcul des orbites des satellites (affinement des éphémérides). Ils introduisent une erreur de l'ordre de 1 mètre.
3. Retards du signal ionosphérique. Introduire une erreur jusqu'à 10 mètres.
4. Réflexion par trajets multiples à partir d'immeubles de grande hauteur, d'autres objets. Introduit une erreur jusqu'à 2 mètres.
5. La disposition géométrique des satellites.
6. Retards du signal troposphérique.

Littérature

1. Conférences du docteur en sciences techniques Valery Viktorovich Konin. http://www.kvantn.com.ua/resource/All/lections/lect_cont.html /lien perdu/
2. Informations du site http://www.datalogger.ru/gps/ /lien perdu/
3. Informations du site http://www.ixbt.com/mobile/gps.html
4. Informations sur le forum du site http://www.gpsinfo.ru/ /lien perdu/
5. Informations du site