Методы радиоуглометрии. Амплитудный, временной и фазовый методы радиоуглометрии

 

     Авторизованные  пользователи с криптографическим  оборудованием, ключами и специально  оборудованными приемниками используют PPS. К ним относятся американская армия, некоторые американские правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи. Точность этой системы

• горизонталь 22 метра,
• вертикаль 27,7 метров,
• время 100 наносекунд.

Система стандартного позиционирования. Standard Positioning System (SPS)

 

     Гражданские  пользователи во всем мире  используют SPS без ограничений. Большинство приемников GPS может принимать сигнал SPS. Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений

• горизонталь 100 метров,
• вертикаль 156 метров,
• время 340 наносекунд.

     Изготовитель  приемника может использовать другие меры точности. Среднеквадратичная (Root mean square – RMS) ошибка – значение одного среднеквадратического отклонения (68%). Вероятная круговая ошибка (Circular Error Probable – CEP) – значение радиуса круга, центрированного при фактическом положении, который содержит 50% оценок положения. Вероятная сферическая ошибка (Spherical Error Probable – SEP) – сферический эквивалент вероятной круговой ошибки, который является радиусом сферы, центрированной при фактическом положении, которая содержит 50% из трех оценок положения. В противоположность 2drms, drms или RMS; CEP и SEP не подтверждены воздействию больших грубых ошибок. В спецификациях некоторых приемников горизонтальная точность указывается в RMS или CEP без учета SA, делая эти приемники «более точными» чем те, в которых используются более консервативные меры ошибки.

 

Приемник GPS/»ГЛОНАСС»

 

     Надо отметить, что приемники GPS и «ГЛОНАСС» существенно различаются по технической реализации. Первые используют более широкую полосу частот, чем GPS-устройства. В системе GPS применяется кодовое разделение каналов, благодаря чему все спутники излучают С/А-коды на общей несущей частоте 1575,42 МГц (L₁). Частотное разделение каналов в «ГЛОНАСС» обуславливает излучение сигналов на разных несущих в диапазоне 1598,0625 – 1615,5 МГц (L₁). Отсюда – в этих системах задействуются разные аппаратура формирования и алгоритмы обработки фазовых измерений.

     Принцип действия  комбинированного GPS/»ГЛОНАСС» - приемника поясним на примере АСН – 22, разработанного Российским институтом радионавигации и времени (Санкт-Петербург) совместно с компанией DASA NFS (Германия). Он состоит из антенны с малошумящим усилителем (МШУ), ВЧ-блока, устройства обработки сигналов и общего навигационного процессора. Приемник может работать в трех режимах, выбираемых по внешней команде: только GPS, только «ГЛОНАСС» и /»ГЛОНАСС».

 

Рис.14.9. Структурная схема GPS/»ГЛОНАСС»-приемника

 

     На входе  устройства установлен фильтр  зеркального канала, который распределяет  сигнал по двум каналам для отдельных ВЧ-приемников GPS и «ГЛОНАСС». С выхода АЦП навигационные сигналы поступают на два коррелятора, 12-канальный GPS(напрямую) и 6-канальный «ГЛОНАСС» (через блок переключения каналов), которые работают с общей синхронизацией. Многоканальный приемник АСН-22 позволяет отслеживать С/А-код и фазу несущей L₁ по всем каналам GPS и «ГЛОНАСС».

     На основании  измерений и принятых сообщений  навигационный процессор вычисляет  координаты, вектор скорости и  точное время, обеспечивающее  «привязку» шкалы времени потребителя к шкале ГОСЭТАЛОНА координированного всемирного времени UTC (SU). Время первоначального определения зависит от числа каналов приемника и производительности навигационного процессора. Для АСН-22 оно составляет менее 90 с (при достоверных начальных данных). Последующие координатно-временные определения выполняются с заданной периодичностью – обычно через 1 с и более. Восстановление слежения осуществляется за 3-5 с.

     Результаты  вычислений могут выводиться  вместе с электронной картой  на встроенный дисплей, на экран портативного ПК или передаваться в диспетчерский пункт по радиоканалам спутниковых и наземных систем связи для отслеживания местонахождения подвижного объекта.

 

14.2.4. Сравнительные   характеристики  систем    ГЛОНАСС  и GPS.

 

Системы GPS и ГЛОНАСС во многом подобны, но имеют и различия (что хорошо видно из таблицы 1. Данные системы разрабатывались с учетом наиболее вероятных областей применения. Поэтому ГЛОНАСС имеет преимущества на высоких широтах, а GPS – на средних.

 

Табл.1 Основные характеристики систем GPS и ГЛОНАСС.

 

Характеристики	ГЛОНАСС	GPS
Количество  спутников (проектное)	24	24
Количество  орбитальных плоскостей	3	6
Количество  спутников в каждой плоскости	8	4
Тип орбиты	Круговая (S = 0 + -0,01)	Круговая
Высота орбиты	19100 км	20200 км
Наклонение  орбиты, град	64,8 + -0,3	55 (63)
Период обращения	11ч 15,7 мин.	11ч 56,9 мин.
Способ разделения сигналов	Частотный	Кодовый
Навигационные частоты, МГц:
L1	1602,56-1615,5	1575,42
L2	1256,44-1256,5	1227,6
Период повторения ПСП	1 мс	1 мс (С/А-код)
		7 дней (Р-код)
Тактовая частота  ПСП, МГЦ	0,511	1,023 9С/А-код) 10,23 (Р, Y-код)
Скорость передачи цифровой информации, бит/с	50	50
Длительность  суперкадра, мин	2,5	12,5
Число кадров в  суперкадре	5	25
Число строк  в кадре	15	5
Погрешность* определения  координат в режиме ограниченного  доступа: горизонтальных, м вертикальных, м	Не указана	18 (Р, Y-код) 28 (Р, Y-код)
Погрешность* определения  проекций линейной скорости, см/с	15(СТ-код)	< 200(С/А-код) 20 (Р, Y-код)
Погрешность* определения времени в режиме свободного доступа, нс в режиме ограниченного  доступа, нс	1000 (С/А-код) -	340 (С/А-код) 180 (Р, Y-код)
Система отсчета  пространственных ПЗ-90 координат		WGS-84
Погрешности* в  определении координат, скорости и  времени для системы ГЛОНАСС-0,997, для GPS-0,95

                                                                       

 

5. ГЕОДЕЗИЧЕСКИЕ  СИСТЕМЫ  КООРДИНАТ,  ПРИМЕНЯЕМЫЕ   В   СНС

 

     Общие сведения о форме Земли

     В  процессе длительной эволюции  учения о форме Земли ученые пришли к выводу, что с очень большой степенью приближения под формой Земли можно понимать форму невозмущенной никакими внешними причинами (притяжение Луны, разность температур, атмосферного давления и пр.) поверхность морей и океанов при некотором среднем уровне воды. Эта поверхность является одной из уровневых поверхностей силы тяжести, по предложению немецкого ученого Листинга в 1873 г., названая геоидом. Геоид: эквивалентная поверхность гравитационного поля Земли, которая должна была бы совпасть с поверхностью океанов, если бы Земля находилась в равновесном состоянии и не имела рельефа . Геоид наиболее реально отражает поверхность, но не имеет правильной математической формы, поэтому для целей навигации его заменяют эллипсоидом вращения – фигурой, образуемой вращением эллипса с полуосями a и b вокруг оси P_N и P_S ..

 

                                                        Рис.14.10.

    

На рис.14.10.  показано сечение Земли из которого видно, что если восстановить один перпендикуляр к геоиду, который совпадает с линией отвеса, а другой перпендикуляр – к эллипсоиду вращения, то между ними в ряде точек Земли возможно наличие некоторого угла. Из этого вытекает, что линия отвеса проходит через центр геоида, а линия перпендикулярная эллипсу вращения через центр геоида может, в ряде случаев, и не проходить. Данный вывод нам понадобиться при рассмотрении эллипсоидных геодезических координат.

     Расстояние (положительное или отрицательное  значение) между поверхностью геоида  и поверхностью определенного референц-эллипсоида принято называть волной геоида.

 

Рис. 14.11. Земля как геоид

 

   

 

 Системы  координат референц-эллипсоида

     В  геодезии используется три системы  координат: местная, геоцентрическая  (привязанная к Земле) и эллипсоидальная.

 

     Местная система координат

     В отдельных странах или группе стран применяются при обработке геодезических измерений эллипсоиды, выведенные по результатам геодезических работ, охватывающих территорию данной страны или нескольких стран. Такие «рабочие» эллипсоиды называются референц-эллипсоидами. Система координат, определяемая на таком эллипсоиде, называется местной.

     Референц-элипсоид  отличается от общего земного  эллипсоида размерами и центр  его совпадает с центром Земли.  Вследствие несовпадения центров референц-эллипсоидов и реальной Земли малая ось референц-эллипсоида не совпадает с осью вращения Земли (рис.).

                                                                    Рис.14.12

 

     Геоцентрическая (привязанная к Земле) система координат (X. Y, Z)

 

     В  качестве основной земной системы  координат принята геоцентрическая  привязанная к Земле пространственная  прямоугольная система (X. Y, Z), началом которой является центр массы Земли S (геоцентр, т.е. центр массы, включая массу атмосферы) (рис.). Ось Z совпадает с осью Земли.

 

 

 

         Рис.12.13.

     Геоцентрическая  система координат используется  при определении места воздушного  судна при решении системы  уравнений.

 

     Эллипсоидальная система координат

     Поверхность  Земли можно достаточно аппроксимировать эллипсоидом вращения со сплюснутыми полюсами. При этом величина отклонений поверхности эллипсоида по высоте от геоида не превышает 100 м.

     Эллипсоид  вращения получается при вращении  меридианного эллипса вокруг  его малой оси. Поэтому форма эллипсоида описывается двумя геометрическими параметрами: большой полуосью а и малой полуосью b. Обычно b заменяют параметром сжатия (сплюснутости) эллипсоида:

ƒ =

     Для  пространственного определения  положения точки на физической  поверхности Земли (или в пространстве) по отношению к эллипсоиду  вращения используют геодезические  координаты: φ - широта и λ –  долгота^*). А кроме того используется параметр h – высота над эллипсоидом. Высота h над эллипсоидом измеряется вдоль нормали (перпендикуляра) к его поверхности.

^*) Вместо термина «геодезические координаты», который применяется в геодезии, в навигации используется термин «Географические координаты».

Рис.14.14.

 

     Глобальные системы координат, применяемые в СНС

 

     В спутниковых  навигационных системах второго  поколения применяются следующие  системы координат:

     1) GPS – глобальная система координат WGS-84 (World Geodetic        System1984г.);

     2) ГЛОНАСС – общеземной эллипсоид  1990г. (ОЗЭ-90). Синонимы этой системы  координат: ЕСК-90 (единая система  координат); «Земля-90»; РЕ-90 (Parameters of the Earth 1990).

      Основные параметры WGS-84 и ОЗЭ-90 даны в табл.1.

Таблица1

Параметр	Обозначение	WGS-84	ОЗЭ-90
Большая полуось, м   Малая полуось, м   Сжатие	A   B   ƒ	6378137   6356752,3   298,25722*10-4	6378136   6356751,4   298,258*10-4

 

     Центр глобальной  системы координат WGS-84 совпадает с центром массы Земли. Ось Z соответствует направлению обычного земного полюса^**). Ось X лежит в плоскости экватора на пересечении с плоскостью нулевого (Гринвичского) меридиана. Ось Y лежит в плоскости экватора и отстоит от оси X на 90^° (рис.).

 

       Согласно решению ИКАО WGS-84 принята в качестве основной системы координат при осуществлении навигации с помощью СНС. В соответствии со Стандартом и Рекомендуемой практикой ИКАО государства члены ИКАО с 1 января 1998г. Публикуют географические координаты в системе WGS-84. С 5 ноября 1998г. В дополнение к превышению (относительно среднего уровня моря) конкретных объектов (например, превышение аэродрома) публикуется информация о волне геоида (относительно поверхности эллипсоида WGS-84).

       В отношении ОЗЭ-90 в открытой  литературе имеются данные, что его центр (S’) относительно центра WGS-84 (S) имеет смещение по оси X, Y, Z: ΔX = 2 м, ΔY = 6 м, ΔZ = - 4,5 м, а кроме того смещены и оси Y’ и Z’ относительно осей WGS-84 (Y, Z) на угловые величины: ω_Y = - 0,35’’, ω_Z = - 0,11’’. Ось X в WGS-84 и ось X’в ОЗЭ-90 совпадают. Угловое смещение оси Y’ ОЗЭ-90 относительно оси Y WGS-84 в 0,35’’ приводит к линейному смкщению на поверхности эллипсоида на экваторе в 10,8 м, а смещение оси Z’ по отношению к оси Z – 3,4 м. Указанные смещения могут привести к общему смещению точки, расположенной на поверхности ОЗЭ-90 относительно WGS-84 на 11,3 м.

 

     Местные («рабочие») референц-эллипсоиды

     Местные  референц-эллипсоиды используются  в геодезии при триангуляции  для определения геодезических  координат объектов. В табл. 2 представлены параметры наиболее известных некоторых местных референц-эллипсоидов, с использованием которых государства вычисляют и публикуют геодезические координаты. Такие координаты называются местные геодезические координаты.