Программные продукты и системы

В настоящее время идет интенсивный процесс интеграции системы GPS с российской навигационной системой ГЛОНАСС, а в перспективе такая интеграция предполагается и с европейской навигационной системой GALILEO.

Разработка технологий использования GPS-измерений для дистанционной диагностики ионосферы ведется по нескольким направлениям [1, 2]. Создана технология GIM (Global Ionospheric Maps) – построение глобальных ионосферных карт абсолютного вертикального значения полного содержания электронов в атмосфере (ПЭС). Для хранения и передачи карт ПЭС в цифровом виде разработан специальный стандартный формат IONEX (стандарт файлов по технологии Global Ionospheric Maps). Каждый файл IONEX содержит мировые карты абсолютного вертикального ПЭС и соответствующие им карты погрешностей вычисления ПЭС за одни сутки по шкале мирового времени UT с временным разрешением 2 ч. Карты ПЭС в формате IONEX представлены на сайте ftp://cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex.

Ведется разработка ассимиляционных моделей для оперативного прогноза параметров ионосферы (например модели GAIM – Global Assimilation of Ionospheric Measurements). В таких моделях теоретические распределения электронной концентрации корректируются доступными ионосферными данными (измерения ПЭС по сигналам GPS, профили распределения концентрации заряженных частиц по данным ионозондов, радаров некогерентного рассеяния, ракетным измерениям и т.д.), обеспечивая достаточную скорость компьютерных расчетов [2].

При практическом использовании технологии GPS-зондирования верхней атмосферы и ионосферы необходимы сведения об имеющихся источниках информации и архивах характеристик сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) системы GPS. Эти данные имеются в IGS (International Service for Geodynamics), куда они поступают от национальных агентств с целью обеспечения работоспособности глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС).

На сайте ftp://igscb.jpl.nasa.gov/pub/center для каждого центра обработки дана краткая справка по используемым программам, стратегии вычислений, моделям, структуре публикуемых данных, а для центров хранения данных – дерево каталогов ftp-сервера. Некоторые центры, например SIO, предоставляют удобный web-интерфейс с большим количеством разнообразных сервисов: поиском данных по запросу, интерактивными карта- ми и пр.

В России организован Информационно-анали­тический центр (ИАЦ) Федерального космического агентства, где хранятся результаты анализа навигационной информации, а также различные типы измерительной и справочной информации из международных систем сбора и хранения данных.

Информацию о координатах зарегистрированных GPS-приемников можно получить по адресу http://lox.ucsd.edu/cgi-bm/allCoords.cgi. Станции наблюдений IGS ежечасно передают файлы RINEX (Receiver Independent Exchange Format) в центры накопления данных. Внутренняя структура RINEX-файлов, в которых зашифрованы данные о характеристиках GPS-сигналов, достаточно сложна. RINEX-файл содержит измеренные GPS-приемником параметры сигналов всех космических аппаратов (КА), находящихся в зоне радиовидимости приемника: альманах созвездия КА, значения фазы для одной или обеих несущих частот, значения псевдодальности, метки времени, сведения о работоспособности бортовой аппаратуры КА и др. В отдельный навигационный RINEX-файл объединяются эфемериды КА, необходимые для вычисления координат НКА.

Так, RINEX-файлы с GPS-приемников глобальной сети IGS хранятся на HTTP-сервере SOPAC (http://lox.ucsd.edu) или на FTP-сервере (ftp://lox.uc.sd.edu/pub). Навигационные файлы находятся на том же сервере в директории ftp://lox.ucsd.edu/pub/nav.

Программы обработки RINEX-файлов делятся на программы первичной и вторичной (детальной) обработки. К программам первичной обработки относится программа TEQC. Она позволяет проводить проверку качества данных, получать данные за конкретные временные интервалы, производить архивирование, редактирование и ряд других функций. К программам вторичной обработки относятся программные комплексы GAMIT и GLOBDET. Программный пакет GAMIT разработан Массачусетским технологическим институтом. Программы нет в открытом доступе, однако для желающих есть возможность обработки с помощью этого продукта небольшого объема файлов RINEX-формата на сервере SOPAC.

Программный комплекс глобального детектирования и мониторинга ионосферных возмущений естественного и техногенного происхождения на основе измерений вариаций полного электронного содержания (GLOBDET) разработан в Институте солнечно-земной физики Сибирского отделения РАН (http://ckm.iszf.irk.ru/). Он, как и пакет GAMIT, позволяет производить расчет вариаций ПЭС, моделировать изменения ПЭС и др.

Из краткого обзора видно, что существуют широкие возможности получения данных о состоянии ионосферы, которые могут быть использованы в интересах проведения исследований в различных областях знаний. Причем большинство таких данных доступны для свободного использования. Такое положение позволяет с минимумом затрат использовать предоставляемые возможности для проведения прикладных исследований и для обучения специалистов в области компьютерных наук по применению и дальнейшему совершенствованию технологий сбора и обработки информации, получаемой с НКА.

Большое количество НКА, значительные вычислительные процедуры обусловливают применение различных программных средств.

Данные навигационных приемников GPS/ ГЛОНАСС могут записываться как в собственных бинарных форматах, характерных для каждой компании-разработчика приемников ГНСС, так и в формате RINEX. Формат RINEX состоит из файлов следующих типов:

–      файл с данными наблюдений приемника RINEX Observation Data File (RINEX OBS);

–      файл навигационного сообщения RINEX Navigation Message File (RINEX NAV);

–      файл с метеорологическими данными RINEX Meteorological Data File (RINEX MET);

–      файл навигационного сообщения ГЛОНАСС RINEX GLONASS Navigation Message File (RINEX GLO);

–      файл навигационного сообщения геостационарных КА RINEX GEO Navigation Message File (RINEX GEO);

–      файл с показаниями часов низкоорбитальных КА и приемника RINEX Satellite and Receiver Clock Data File.

При этом наземные приемники в основном обеспечивают возможность получения файлов навигационных данных для ГЛОНАСС и GPS, а также файла наблюдений. Обработка данных в формате RINEX осуществляется как коммерческими программными продуктами, так и продук­тами с открытом кодом.

Для разработки комплекса используется объектно-ориентированное программирование, что позволяет уменьшить время разработки новых классов, наследуя их от уже имеющихся в программных библиотеках. Это было применено при разработке программного кода, отвечающего за расчет полного электронного содержания по характеристикам сигналов НКА ГЛОНАСС, где требуется знание частотного поддиапазона каждого НКА. Соответственно, взаимодействие между блоками комплекса также выполняется на основе объектных структур данных. Структура разрабатываемого программного комплекса приведена на рисунке.

Библиотека GPS Toolkit (http://www.gpstk.org) – набор классов, базирующихся на стандарте ISO C++ для работы с данными ГНСС GPS/ГЛО­НАСС, – используется на разных платформах. Классы построены по модульному принципу с расширением возможностей за счет широкого применения концепций объектно-ориентирован­ного программирования.

Классы GPSTk подразделяются на классы ядра, вспомогательных утилит и приложений. В целом набор классов GPSTk обеспечивает широкий спектр готовых решений для задач, связанных с ГНСС, в том числе обработку и использование данных в стандартных форматах, таких как RINEX. В библиотеке реализовано большое количество моделей и алгоритмов, определенных в различных публикациях по обработке данных ГНСС, например, для определения местоположения пользователя или оценки атмосферной рефракции.

Поскольку в ГНСС ГЛОНАСС вместо фиксированных частот используются 14 частотных поддиапазонов (от –7 до +6), НКА, расположенные по разные стороны Земли, могут иметь один частотный поддиапазон. При этом несущая частота L1 для нулевого поддиапазона (f01) равна 1 602 МГц, несущая частота L2 для нулевого поддиапазона (f02) составляет 1 246 МГц. Обе несущие частоты формируются на основе опорного генератора частотой 5 МГц.

Описание используемых частотных поддиапазонов целесообразно оформить в виде XML-до- ку­мента, для обработки которого используется программная библиотека TinyXML (http://www. grinninglizard.com/tinyxml/index.html). Таким образом, данные, хранимые в XML-файле, преобразуются в объекты С++, что позволяет легко ими манипулировать в программном коде. При этом библиотека TinyXML обладает рядом достоинств:

–      имеет малый размер кода;

–      компилируется на любой системе, поддерживающей язык C++;

–      может применяться совместно с Standart Template Library (STL);

–      поддерживает кодировку UTF-8.

Для визуализации исходных и рассчитанных данных, а также построения графического интерфейса (GUI) целесообразно использовать возможности кроссплатформенной библиотеки QT, отличительной чертой которой является использование системы предварительной обработки исходного кода Meta Object Compiler.

Библиотека QT широко используется в зарубежных космических проектах, выполняемых Европейским космическим агентством (ESA), американским Национальным агентством океанографии и атмосферы (NOAA) и др.

Таким образом, применение указанных программных библиотек и их интеграция в едином программном продукте позволит разработать кроссплатформенный программный комплекс мониторинга ионосферы с помощью характеристик НКА GPS/ГЛОНАСС и затем расширять его возможности путем добавления поддержки новых систем спутниковой навигации.

Литература

1.     Tolman B.R., Harris B., Gaussiran T., Munton D., Little J., Mach R., Nelsen S., Renfro B., Schlossberg D. The GPS Toolkit – Open Source GPS Software, Proc. 17th Intern. Tech. Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004), Long Beach, California, 2004, September.

2.     Codrescu M.V., Viereck R. The Importance of Radio Occultation Measurements for Ionosphere modeling. URL: http:// www.irowg.org/docs/Presentation/codrescu.pdf (дата обращения: 23.09.2013).

3.     Xu G. GPS: Theory, Algorithms and Applications, Sprin­ger. 2nd ed., 2007, 340 p.

4.     Решетников В.Н. Космические телекоммуникации (начала). Тверь: НИИ «Центрпрограммсистем», 2009. 128 с.

References

1.     Tolman B.R., Harris B., Gaussiran T., Munton D., Little J., Mach R., Nelsen S., Renfro B., Schlossberg D. The GPS toolkit – open source GPS software. Proc. of the 17th int. technical meeting of the satellite division of the Institute of Navigation (ION GNSS 2004). Long Beach, California, Univ. of California Berkeley Publ., 2004.

2.     Codrescu M.V., Viereck R. The Importance of Radio Occultation Measurements for Ionosphere modeling. Available at: http://www.irowg.org/docs/Presentation/codrescu.pdf (accessed 23 September 2013).

3.     Xu G. GPS: Theory, Algorithms and Applications. 2nd ed., Springer, 2007, 340 p.

4.     Reshetnikov V.N. Kosmicheskie telekommunikatsii (na­chala) [Space telecommunications (basics)]. Tver, Centrprogramm­system Publ., 2009, 128 p.