Системи відліку часу й координат

Основною астрономічною одиницею виміру часу є доба (86400 с) - інтервал часу, за який Земля робить один повний оберт навколо своєї осі щодо якої-небудь точки на небесній сфері. Зоряна доба відраховують між двома послідовними верхніми положеннями точки весняного рівнодення. Для точного розрахунку часу доводиться враховувати, що вісь обертання Землі робить повільний періодичний коливальний рух, що складається із прецесії (рух по конусі) і нутації - коливання осі. Крім цього добове обертання Землі нестабільне й тривалість доби нестабільна.

У зв'язку із цим в 1967 р. рішенням XIII Генеральної конференції по мірах і вагам прийняте поняття атомної секунди як більше стабільної одиниці часу. Атомна секунда дорівнює інтервалу часу, протягом якого відбувається 9192631770 коливань, що відповідають резонансній частоті енергетичного переходу між рівнями атома цезію-133 при відсутності зовнішніх впливів. Атомна секунда прийнята в цей час за одиницю часу в системі СІ. Осереднення показань різних атомних еталонів часу дозволило створити шкалу міжнародного атомного часу.

Кожен навігаційний супутник оснащений своїми власними годинниками найбільш зробленої конструкції, досягнутої в наш час. Відносна погрішність таких годин 1 ◦ 10^-13, тобто годинники можуть «відстати» або «поспішати» усього на 0,000003 секунди за рік. Але й ця величина помилки вважається занадто великий, і годинники на супутнику постійно контролюються із Землі й рівняються з еталонними годинниками на Землі, для яких створюють найбільш стабільні умови. Ця операція називається синхронізацією годин. Еталонні годинники на Землі є основними опорними годинниками, які створюють свою шкалу часу для супутникової навігаційної системи.

Початок відліку часу GPS ведеться від січня 5, 1980 р. з 0^h. Тому початок тижня GPS ведеться від опівночі (час універсальне) між суботою й неділею. Час у системі GPS має свою власну шкалу й визначається годинниками головної станції контролю. Тривалість секунди GPS відрізняється від шкали часу UTS, тобто час GPS не ідентично часу UTS. Це розходження відслідковується й передається в навігаційному повідомленні. На 1 липня 1992 р. розходження становило близько 8 секунд (час GPS випереджає час UTS).

У приймачах, які використовують геодезисти для координатних визначень, теж використовуються досить стабільний годинник. Але у зв'язку з тим, що геодезичний приймач повинен бути компактним, легким й дешевим, годинники в приймачі приблизно в мільйон разів менш стабільні годин, установлених на супутнику. У зв'язку з цим, при кожному сеансі вимірів виробляється синхронізація годин приймача з годинниками навігаційної супутникової системи.

Рис. 14.9. Геоцентрична інерційна система координат

Рух штучних супутників Землі відбувається за законами небесної механіки під дією сил інерції й сил притягання Землі. Для опису такого руху використається геоцентрична інерційна система координат X₀Y₀Z₀ (рис. 14.9). Початок координат розташований у центрі маси Землі, вісь X₀ лежить у площині екватора й спрямована в точку весняного рівнодення (точку Весни або Овна Y), вісь Z₀ спрямована уздовж осі обертання Землі убік Північного Полюса, вісь Y₀ доповнює прямокутну систему координат до повної (правої). Крім цього використається геоцентрична рухлива система координат ХYZ. У навігаційній системі координат ГЛОНАСС її називають ПЗ-90, а в NAVSTAR GPS- WGS-84. Центр цієї системи координат збігається із центром системи X₀Y₀Z_0, вісь Z також збігається з віссю Z₀, а вісь X проходить через Грінвічський меридіан. Вісь X у процесі добового обертання Землі періодично проходить через Весни. Інтервал часу між двома такими послідовними моментами відповідає одній зоряній добі.

Інформація про рух супутників прогнозується й обчислюється в геоцентричній рухливій системі координат.