Использование современных методов спутникового позиционирования для определения координат

МИНИСТЕРСТВО ТРАНСПОРТА РОССЙИСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ

Федеральное государственное автономное образовательное учреждениевысшего

образования

«РОССИЙСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ТРАНСПОРТА»

КАФЕДРА ГЕОДЕЗИИ, ГЕОИНФОРМАТИКИ И НАВИГАЦИИ

Использование современных методов спутникового позиционирования для 

определения координат

Учебное пособие

Москва 2023

УДК 528
ББК 26.12

Подготовлено и рекомендовано к изданию кафедрой геодезии, геоинформатики и 

навигации РУТ(МИИТ)

(протокол №8 от 12 апреля 2023 г.)

Авторы:

К.т.н., доцент 

доцент кафедры геодезии, геоинформатики и навигации РУТ(МИИТ)

Манойло Д.С.

доцент кафедры геодезии, геоинформатики и навигации РУТ(МИИТ)

А.Д. Тихонов

ассистент кафедры геодезии, геоинформатики и навигации РУТ(МИИТ)

Макаров С.О.

Рецензент:

Т46 использование современных методов спутникового позиционирования для 

определения 
координат
для 
студентов 
изучающих 
геодезию 
и 

геоинформатику. 
Рекомендовано 
для 
студентов 
специалитета 
по 

специализации геоинформационные технологии при проектировании, 
строительстве и эксплуатации транспортной инфраструктуры:
учебное

пособие / Д.С. Манойло, А.Д. Тихонов, С.О. Макаров – М.: РУТ(МИИТ),
2023. – 63 с.

Цель пособия – знакомство со спутниковыми методами позиционирования и 

современными методами обработки данных на примере 3-х программных обеспечений КРЕДО 
ГНСС, Trimble Business Centre(TBC), EFTPost Processing

© Российский университет Транспорта, РУТ(МИИТ), 2023
© Манойло Д.С., Тихонов А.Д., Макаров С.О. 2023

Оглавление

Оглавление ...............................................................................................................................3

Введение ....................................................................................................................................4

1 Глобальные навигационные спутниковые системы.....................................................5

1.1 ГНСС ГЛОНАСС..............................................................................................................5

1.2 ГНСС GPS ..........................................................................................................................9

1.3 ГНСС Beidou ....................................................................................................................15

1.4 ГНСС Galileo....................................................................................................................18

1.5 Региональные спутниковые системы.........................................................................21

2. Основные сведения о спутниковых методах координатных определений............21

2.1 Современные спутниковые методы позиционирования.........................................21

2.1 Относительные методы..................................................................................................21

2.2 Абсолютные методы спутникового позиционирования..........................................23

1.3 Методы высокоточных координатных определений (PPP)....................................25

3. Обработка спутниковых данных в специализированных программных 

обеспечениях ....................................................................................................................26

3.1 Обработка данных в программном обеспечении Trimble Business Centre................26

2.2 Обработка данных в программном обеспечении КРЕДО ГНСС...............................34

2.3 Обработка данных в программном обеспечении EFT Post Processing ......................42

4.
Современные методы обработки данных по РРР-алгоритму ................................45

4.1 Trimble RTX (Trimble RTX Post Processing) ...............................................................45

4.2 Magic PPP (magic GNNS) ................................................................................................46

4.3 Canadian Spatial Reference System (CSRS-PPP)..........................................................47

4.4 Automatic Precise Points Positioning Service (APPS)...................................................47

4.5 GNSS Analysis and Positioning Software (GAPS) .........................................................47

4.6 Программное обеспечение Bernese...............................................................................47

4.7 Программное обеспечение GIPSY-OASIS...................................................................48

5. Получение исходных данных с сетей базовых (дифференциальных станций).....50

6.
Исходные данные для выполнения задания..............................................................53

Список рекомендуемой литературы:.................................................................................55

Приложение 1 .........................................................................................................................56

Введение

Первые программные обеспечения для обработки спутниковых данных были 

разработаны практически 30 лет назад. Со временем спутниковые методы стали 
неотъемлемой частью геодезического производства. 

В первой главе учебного пособия приводятся основные теоретические сведения о 

различных ГНСС

В главе 2 учебного пособия приводятся основные сведения о спутниковых методах 

измерений; и о факторах влияющих на точность определения координат.

В 3 главе приводится пример обработки данных с использованием 3-х 

программных обеспечений: Trimble Business Centre(TBC); КРЕДО ГНСС; EFT Post
Processing

Глава 4 посвящена способам обработки спутниковых данных с использованием 

PPP-алгоритма 

В главе 5 описаны альтернативные методы сбора геодезических данных, а именно 

с сети базовых станций .

В 6 и одновременно заключительной главе приводятся задания, которые 

необходимо 
выполнить 
.

1 Глобальные навигационные спутниковые системы

Наряду с традиционными методами определения местоположения объекта 

достаточно давно используются спутниковые навигационные системы, позволяющие 
определить 
географические 
координаты 
объектов. 
Глобальные 
навигационные 

спутниковые системы (далее «ГНСС») – системы, включающие в себя искусственные 
спутники Земли (далее «ИСЗ»), станции контроля, станции слежения, центры вычисления 
параметров орбит, параметры систем координат (далее «СК») и времени, в которых 
определяются положения спутников и пользователей. На сегодняшний день существуют
общеземные и региональные. В настоящее время функционируют такие ГНСС системы, 
как: Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГНСС, РФ), Global Positioning 
System (GPS, США), Galileo (ЕС), Beidou (Китай), Quasi-Zenith Satellite System (QZSS, 
Япония), Indian Regional Navigation Satellite System (IRNSS, Индия).

1.1 ГНСС ГЛОНАСС

Впервые использовать спутники для навигации предложил проф. В.С. Шебшаевич в 

1957 году. Такая возможность была открыта им при исследовании приложений 
радиоастрономических 
методов 
в 
самолетовождении. 
Данные 
исследования 
были 

использованы в 1963 году при опытно-конструкторских работах над первой отечественной 
низкоорбитальной 
системой 
«Цикада».

В 1967 году на орбиту был выведен первый навигационный отечественный спутник «Космос-
192».
Система «Цикада» была сдана в эксплуатацию в составе четырех спутников в 1979 году.
После 2008 года потребители космических навигационных систем «Цикада» и «Цикада-М» 
были переведены на обслуживание системой ГЛОНАСС, и эксплуатация этих систем была 
прекращена.

Летные испытания высокоорбитальной отечественной навигационной системы, 

получившей название ГЛОНАСС, были начаты в октябре 1982 года запуском спутника 
«Космос-1413». Система ГЛОНАСС была принята в опытную эксплуатацию в 1993 году.
В 1995 году развернута ОГ полного состава (24 КА «Глонасс» первого поколения) и начата 
штатная эксплуатация системы.

Орбитальная группировка ГЛОНАСС состоит из 25 спутников на 05.04.2023 , 

находящихся на средневысотных околокруговых орбитах с номинальными значениями 
высоты – 19100 км, наклонения 64,8° и периода обращения 11 часов 15 минут 44 секунд. 
Из всей орбитальной группировки ГЛОНАСС по целевому назначению используются 23 
космических аппарата (далее «КА»). На рисунке 1 приведено расположение спутников 
ГНСС ГЛОНАСС.  

Рисунок 1.1 – расположение спутников ГНСС

На рисунке 1.2
приведены сравнительные данные по типам космических 

аппаратов, входящих в состав спутниковой группировки ГЛОНАСС.

Рисунок 2.2 – типы КА ГЛОНАСС 

На этапе проектирования системы ГЛОНАСС, был принят частотный метод 

разделения сигналов различных космических аппаратов. Каждый из них использует свою 
пару несущих частот, одна из которых принадлежит диапазону L1, а другая L2. Для 
комических аппаратов, расположенных в диаметрально противоположных точках орбиты, 
используются одинаковые литерные частоты по 12 в каждом диапазоне частот. В 
настоящее время помимо сигналов L1 и L2 спутники Глонасс-K дополнительно излучают 
радиосигнал с кодовым разделением в диапазоне L3(L3OC(1202 МГц)) открытого 
доступа.  Однако модернизированные космические аппараты(КА) «ГЛОНАСС-К», также 
излучают радиосигнал по частоте L3. На рисунке 1.3 приведен спектр радиосигналов 
[1,2].

Рисунок 1.3 – спектр навигационных радиосигналов системы ГЛОНАСС ГНСС

В целом информацию по характеристикам навигационных сигналов можно 

представить в виде таблицы 1.1

Таблица 1.1 – Данные о навигационных радиосигналах ГЛОНАСС 

Диап
азон

Несущая 
частота, 

МГЦ

Сигнал

Длительность 

кода ПСП, 
символы

Тактовая 
частота, 

МГц

Вид 

модуляции

Скорость 

передачи ЦИ, 

бит/с 

L1
1600.995
L10Cd
L10Cp

1023
4092

1,023
1,023

BPSK(1) 
BOC(1,1)

125

Пилот-сигнал 

L2
1248.06
L2 КСИ
L20Cp

1023
4092

1,023
1,023

BPSK(1)
BOC(1,1)

250

Пилот-сигнал

L3
1202.025
L20Cd
L30Cp

10230
10230

10,23
10,23

BPSK(10)
BPSK(10)

100

Пилот-сигнал

Передаваемые каждым космическим аппаратом системы ГЛОНАСС в составе 

оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей 
антенны данного КА в связанной с Землей геоцентрической системе координат ПЗ-90, 
определяемой следующим образом: 
начало координат расположено в центре масс Земли;
ось Z направлена в Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной 
службы вращения Земли (IERS);
ось X направлена по линии пересечения плоскости экватора Земли и начального меридиана, 
установленного Международным бюро времени (BIH);
ось Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Последняя версия ГСК «Параметры Земли» с аббревиатурой ПЗ-90.11 и все ее данные 

ведены для практического применения с января 2017 года. Помимо нее, как основной 
системы отсчета при навигации всех летательных, космических, морских и сухопутных 
аппаратов, была учреждена другая геоцентрическая система координат ГСК-2011. Основным 
ее предназначением считается использование в секторах гражданской направленности.

Все значения параметров ПЗ-90.11 определялись из разносторонней измерительной 

информации совместно обработанной и уравненной по МНК. Основным способом для 
обработки измеренных данных был динамический метод.
Все усовершенствования и уточнения в единую государственную ГСК «Параметры Земли» 
были проведены в 2011 году со значительным количеством использования измерений 
GPS/ГЛОНАСС на пунктах космической геодезической сети (КГС) и сети IGS. Впервые для 

установления и модернизации серии ГСК была задействована спутниковая система DORIS.

В опорную сеть ГСК ПЗ-90.11 входят геодезические пункты КГС, СНС ДОРИС и IGS, 

схема пунктов этой сети приведена на рис. 1.4. Треугольником обозначены пункты КГС; 
Кругом – IGS; Квадратом – DORIS. 

Рисунок 1.4 – Схема местоположения пунктов КГС, IGS, DORIS

Система времени

В качестве шкалы системного времени системы ГЛОНАСС принята условная 

непрерывная шкала времени, формируемая на основе шкалы времени Центрального 
синхронизатора системы. Центральный синхронизатор оснащен водородными стандартами 
частоты.

Опорной 
шкалой 
времени 
для 
системы ГЛОНАСС является 
национальная 

координированная шкала времени России UTC(SU). Расхождение между шкалой системного 
времени ГЛОНАСС и UTC(SU) не должна превышать 1 мс.

Шкала системного времени ГЛОНАСС корректируется одновременно с плановой 

коррекцией на целое число секунд шкалы координированного всемирного времени UTC.

1.2 ГНСС GPS

История создания Global Positioning System (GPS) ведёт своё начало с 1973 года, когда 

Управление совместных программ, входящее в состав Центра космических и ракетных 
исследований США, получило указание Министерства обороны США разработать, испытать 

и развернуть навигационную систему космического базирования. Результатом данной работы 
стала система, получившая первоначальное название NAVSTAR (NAVigation System with 
Time And Ranging), из которого прямо следовало, что система предназначена для решения 
двух главных задач – навигации, т. е. определения мгновенного положения и скорости 
потребителей, и синхронизации шкал времени. Поскольку инициатором создания GPS 
являлось 
Министерство 
обороны 
США, 
то 
в 
качестве 
первоочередных 
задач 

предусматривалось решение задач обороны и национальной безопасности. Отсюда ещё одно 
раннее название системы – оборонительная система спутниковой навигации (Defense 
Navigation Satellite System – DNSS).

Разработка концепции построения и архитектуры GPS заняла примерно 5 лет, и уже в 

1974 году фирма Rockwell получила заказ на изготовление первых восьми КА Block I для 
создания демонстрационной системы. Первый КА был запущен 22 февраля 1978 года, и в том 
же году Rockwell получила контракт на создание ещё четырёх КА.

Первоначально предполагалось, что орбитальная группировка GPS будет насчитывать 

24 КА в трёх орбитальных плоскостях высотой 20 200 км и наклонением 63°. К моменту 
начала серийного производства в 1989 году КА модификации Block II было принято решение 
об изменении параметров орбиты GPS, в частности, наклонение было изменено на 55°, а 
количество орбитальных плоскостей увеличено до 6.

Выделяют два важных этапа развёртывания системы GPS – фазу первоначальной 

работоспособности (IOC) и фазу полной работоспособности (FOC). Этап IOC начался в 1993 
году, когда в составе ОГ насчитывалось 24 КА различных модификаций (Block I/II/IIA), 
готовых к использованию по целевому назначению. Переход в режим FOC состоялся в июле 
1995 года, после завершения всех лётных испытаний, хотя фактически система начала 
предоставлять услуги в полном объеме с марта 1994 года. Таким образом, GPS является 
полностью работоспособной уже в течение более чем двух 10-летий, при этом на протяжении 
всей своей истории GPS постоянно модернизировалась с целью удовлетворения требований 
различных категорий как гражданских, так и военных потребителей.

Как и в любой спутниковой группировки, GPS состоит из 3-х сегментов: космический 

сегмент, сегмент контроля и управления и потребительский сегмент [6]. На сегодняшний 
день в состав спутниковой орбитальной группировки GPS входит 32 спутника, 31 из которых 
используется по целевому назначению.  На рисунке 1.5 приведено расположение спутников 
GPS.

Рисунок 1.5 – расположение спутников GPS

Текущий этап модернизации GPS предполагает разработку и производство НКА GPS 

следующего поколения, имеющих условное обозначение НКА GPS III, которые в сочетании с 
усовершенствованными НКУ и НАП обеспечат 
улучшенные 
характеристики 
в 
части 

помехозащищённости, точности, доступности и целостности в соответствии с требованиями 
2025 года и на дальнейшую перспективу.

Уникальные особенности GPS III, которые отличают ее от системы GPS на основе 

предыдущих поколений НКА:

1. Четвертый гражданский навигационный радиосигнал L1С, изначально разработанный 

для обеспечения взаимодополняемости с гражданским сигналом E1 системы Galileo 
(ЕС) и внедряемыми в системах Beidou (КНР), QZSS (Япония) и NavIC (Индия) 
гражданскими сигналами.

2. Высокоскоростная командно-измерительная и телеметрическая радиолиния (TT&C).
3. Высокоскоростной канал межспутниковой линии связи, отличный от реализованного 

на современных НКА GPS и предназначенный, в основном, для передачи сигналов 
системы обнаружения ядерных взрывов.

4. Наличие 
мощных 
остронаправленных 
антенн 
NAVWAR 
для 
обеспечения 

услуг КВНО при ведении боевых операций в условиях действия радиопомех.

5. Функциональные возможности обеспечения целостности.