Спутниковые системы

Как было сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника, которая определяется в навигационном приёмнике с точностью около 1 м. Для удобства рассмотрим простейший “плоский” случай, представленный на рисунке 8.

 

Рис. 8 Определение координат потребителя                  

 Каждый спутник  можно представить в виде точечного излучателя. В этом случае фронт электромагнитной волны будет сферическим. Точкой пересечения двух сфер будет та, в которой находится потребитель.

Высота орбит спутников составляет порядок 20000 километров. Следовательно, вторую точку пересечения окружностей можно отбросить из-за априорных сведений, так как она находится далеко в космосе.

1.2.1. Сущность абсолютных определений

Сущность спутниковой технологии развития ОГС и съёмки ситуации и рельефа состоит в использовании глобальной навигационной спутниковой системы и системы вычислительной обработки (ЭВМ и программного обеспечения) для получения координат и высот точек местности (пунктов ОГС и съёмочных пикетов).

Местоположение точки может быть получено с использованием глобальных навигационных спутниковых систем как из абсолютных, так и из относительных определений.

Абсолютные определения выполняются по принципу пространственной обратной линейной засечки, образованной измеренными псевдодальностями до 4-х и более спутников с одной точки, на которой размещён спутниковый приёмник. Точность абсолютных определений местоположения ограничена рядом факторов, среди которых основным является влияние погрешностей эфемерид спутников. Стандартная точность определения местоположения абсолютным методом не превышает 5 м, что не позволяет использовать этот метод при развитии ОГС и съёмке ситуации и рельефа, поэтому в дипломе  абсолютные определения не рассматриваются.

Методы относительных определений основаны на принципе компенсации сильно коррелированных погрешностей (к которым относятся и эфемеридные погрешности) при одновременном определении кодовых и фазовых псевдодальностей до спутников одного и того же созвездия с двух точек.

Спутниковые определения относительными методами обеспечивают определение плановых координат и высот в системе координат и высот пунктов геодезической основы.

 

1.2.2. Понятие о методах относительных спутниковых определений

 

Для реализации относительных спутниковых определений используют два или более приёмников, один из которых является базовой станцией, а другие - подвижными.

Наблюдения спутников базовой и подвижными станциями осуществляют приёмами, объединёнными в сеансы.

Различают следующие методы относительных спутниковых определений:

 

Дифференциальный режим

 

В настоящее время ведутся работы по реализации общеевропейского радионавигационного плана. Разработан специальный стандарт пересылки поправок DGPS, который называется RTCM SC - 104. Все производители GPS - приемников используют его для реализации дифференциального режима работы своей аппаратуры.

В геодезических приложениях нашли применение исключительно дифференциальные методы GPS - измерений, поскольку только с их использованием возможно определение координат точек местности с требуемой точностью.

Имеется несколько методов выполнения наблюдений. Выбор конкретного метода зависит от следующих факторов:

• требуемый уровень точности;

• технические возможности приемника и наличие соответствующего программного обеспечения;
• характер окружающей местности и метеоусловия (радиопомехи, рельеф, гроза);
• наличие ограничений на переезд между наблюдаемыми пунктами и расстояние между ними;
• конфигурация спутниковой системы и количество наблюдаемых спутников, наличие средств связи.

Для решения различных задач:

• определения точных координат отдельных точек,
• последовательных измерений местоположения множества точек,
• непрерывных координатных определений в процессе движения автомобиля и др.

- в рамках DGPS- режима разработан  ряд методов выполнения измерений. Эти методы отличаются технологией  выполнения работ и получаемой точностью вычисления вектора базы.

Статический метод (Static Positioning)

Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 километров, а двухчастотные - для баз длиннее 15 километров (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приемником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов. Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1. Для двухчастотных приемников:
• в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;
• по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D;
2. Для одночастотных приемников:
• в плане: 5 мм + 1 мм/км * D - (при D < 10 км); 5 мм + 2 мм/км * D - (при D > 10 км);
• по высоте: 10 мм + 2 мм/км * D).

Данный метод используют для решения задач контроля национальных и континентальных геодезических сетей, мониторинга тектонических движений земной поверхности, наблюдения за состоянием дамб, фундаментов атомных электростанций и др. сооружений.

Псевдостатический метод (Pseudo-Static Positioning)

Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съемки за счет выполнения наблюдений в течение нескольких коротких сессий вместо одной длинной. Один приемник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приемник после наблюдений в течение 5 – 10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5 -10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д. Каждый определяемый пункт необходимо посетить еще раз на 5 минут через 1 час после первого посещения. Этот метод практически эквивалентен статическому, но вместо того, чтобы ожидать в течение 1 часа изменения конфигурации спутников, наблюдения проводятся в течение 5 минут, а следующие 5 минут наблюдаются одним часом позже, когда конфигурация существенно изменилась. Остающиеся 55 минут можно использовать для посещения дополнительных неизвестных пунктов. Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдений могут использоваться как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное измерение координат большого количества точек. Недостатком метода является необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

Быстростатический метод (Rapid Static Positioning)

Этот метод был разработан в последние годы. Он позволил значительно увеличить производительность GPS съемки. Метод отличается от псевдостатического тем, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов (в течение 5-10 минут - в зависимости от расстояния между опорным и определяемым пунктами). Поначалу, на этапе появления данного метода, для наблюдений подходили лишь двухчастотные Р- кодовые приемники. В настоящее время некоторые одночастотные приемники можно также использовать в быстростатическом режиме.

Кинематический метод “стой-иди” (Stop-and-Go Kinematic Positioning)

Метод позволяет получить положения пунктов так же быстро, как и в случае использования электронного тахеометра при решении топографических задач. Метод требует выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. После этого опорный приемник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приемник перевозится (во включенном состоянии) на первый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту. Затем он посещает все остальные определяемые пункты (лишь по одному разу).

Наиболее распространенными являются следующие процедуры инициализации:

• обмен антеннами, когда второй приемник находится на “пункте обмена” (знание его координат не обязательно), выбранном на расстоянии не более 10 метров от опорного, выполняется наблюдение 4 – 8 эпох, затем приемники переставляются (без выключения), меняясь антеннами и наблюдают 4-8 эпох (до нескольких минут), а после происходит обратная процедура обмена антеннами и выполнение наблюдений для 4-8 эпох;
• стояние второго приемника в течение 1 минуты на втором пункте с известными координатами, причем этот второй пункт может быть на расстоянии не более 10 километров от опорного пункта;
• статический метод, когда определяемый пункт выбирается на расстоянии не более 10 километров от опорного пункта, а сеанс наблюдений имеет продолжительность не менее 30 минут.
• Недостаток метода состоит в необходимости непрерывного (и даже во время движения) наблюдения не менее 4 спутников одновременно. Если число наблюдаемых спутников падает до трех хотя бы на миг, необходимо вернуться на последний успешно посещенный определяемый пункт или вновь провести процедуру инициализации. Во избежание этого лучше всего обеспечить возможность наблюдения одновременно пяти или более спутников.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1. Для двухчастотных приемников (5 спутников и две эпохи (2 сек ) наблюдений):

• в плане: 20 мм + 1 мм/км * D;
• по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D;

2. Для одночастотных приемников:

• в плане: 20 мм + 2 мм/км * D;
• по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D.

Метод эффективен при выполнении топографической съемки, когда за короткое время необходимо определить координаты большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, определении местоположения объектов местности, имеющих форму ломаной линии (трубопроводы, дороги и пр.).

Кинематический метод со статической инициализацией (Kinematic with Static Initialization)

Метод очень похож на предыдущий. Точно так же на базовом пункте с известными координатами производится процедура инициализации, затем подвижный приемник перемещается в начальную точку маршрута движения и производит там наблюдения в течение нескольких минут. Далее подвижная платформа с приемником начинает движение по маршруту. GPS - измерения выполняются непрерывно во время движения с интервалом 1 сек. Точностные параметры метода те же, что и у “Stop-and-Go”. Чаще всего применяется для получения координат линейных объектов типа дорог, рек и т.д.

Кинематический метод с инициализацией “на ходу” (Kinematic with On - the Fly Initialization)

Данный метод не требует для инициализации размещения подвижного приемника на базовой станции - эта процедура выполняется непосредственно при движении транспортного средства по маршруту. Кроме того, если по какой- либо причине произошел срыв наблюдений (например, из-за проезда под железнодорожным мостом), процесс инициализации производится вновь без остановки движения. Точностные параметры и сферы использования метода не отличаются от других кинематических методов.

 

1.2.3. Прогнозирование спутникового созвездия

 

Одним из этапов подготовки к проведению спутниковых определений является прогнозирование спутникового созвездия. Цель его - определение дат, моментов и интервалов времени, в которые параметры конфигурации спутникового созвездия оптимальны для спутниковых определений.

Исходными данными для прогнозирования спутникового созвездия являются координаты объекта работ и эфемеридная информация о спутниках. В случае, если в районе расположения пунктов геодезической основы, ОГС или топографических съёмок имеются предметы или сооружения, препятствующие прохождению радиосигналов от спутников, то в качестве исходной информации при прогнозировании необходимо использовать также значения высот и азимутов границ нахождения препятствий.

В качестве исходных координат объекта работ используют географические координаты, взятые с точностью до 1°.

Эфемеридную информацию в виде файла, называемого в эксплуатационной документации альманахом, получают либо из специально для этого выполняемых спутниковых определений, либо используют эфемеридную информацию, образовавшуюся в процессе каких-либо ранее выполненных спутниковых определений. В любом случае спутниковые определения для получения альманаха должны быть выполнены в дату, отстоящую не более чем на 30 суток от даты, на которую выполняют прогнозирование. Если для получения альманаха специально проводят спутниковые определения, то их выполняют одним приёмником в течение 5 минут.