Режимы измерений, измеряемые величины

Допплеровский режим, точнее режим интегрального допплера, является как бы побочным по отношению к фазовому. Допплеровская частота пропорциональна скорости изменения фазы, поэтому допплеровскую частоту получают попутно с измерением фазы, без каких-либо дополнительных затрат. Несмотря на «бесплатность» этот режим дает богатую информацию о местоположении пункта. Следует напомнить, что первые спутниковые радионавигационные системы были исключительно допплеровскими.

Как сказано, режимы наблюдений неразрывно связаны друг с другом. Геодезиста более всего интересует высокоточный фазовый режим, однако приближенные значения координат пунктов, необходимые для уравнивания, он получает из кодовых и допплеровских измерений. Перемещение по объекту и поиск исходных пунктов также очень облегчает использование кодового навигационного режима. Далее рассмотрим измеряемые величины более детально.

1.2. Фазовые измерения В геодезическом приемнике измеряют мгновенную разность фаз сигнала спутника и колебания приемника. Напомним, что фазовые измерения являются наиболее точными. За высокую точность приходится расплачиваться усилиями, потраченными на разрешение многозначности фазовых измерений. Сигнал спутника не является гармоническим, как это необходимо для фазовых измерений. Напротив, он модулирован по фазе сложным псевдошумовым кодом. Чтобы выполнить фазовые измерения, необходимо убрать кодовую модуляцию. Так и делают, используя операцию квадратирования (см. раздел 1.3). Принимаемый сигнал умножают на самого себя. В результате получается сигнал, частота которого равна удвоенной несущей частоте сигнала спутника. Это колебание усиливают и именно на нем выполняют фазовые измерения. При этом кодовую информацию не игнорируют. Ее в полной мере используют для получения навигационных координат пунктов и для приема навигационного сообщения. В спутниковых системах принято обозначать дальность до спутника буквой р. С учетом этого запишем формулу, связывающую дальность до спутника с измеренной разностью фаз. Основой служит формула для беззапросного фазового метода. Для случая спутниковых измерений она имеет вид (1):

Таким образом, при кодовых измерениях играет роль несинхронность показаний часов спутника и приемника, а при фазовых измерениях играет роль несинфазность колебаний опорных генераторов спутника и приемника. Аппаратурно, то есть путем организации каких-то дополнительных каналов связи между приемником и спутником, эти параметры определить невозможно. Поэтому несинхронность определяют так, как сказано в разделе 1.1, а несинфазность исключают из результатов обработки путем формирования разностей фазовых измерений, как описано в разделе 4.2.

В формуле (1) измеряемая величина разности фаз меняется со временем из-за изменения дальности до спутника. Вследствие эффекта Допплера со временем меняется значение частоты / принимаемого сигнала.

1.4. Изоповерхности, геометрический фактор Пусть с использованием дальномерного устройства необходимо определить местоположение пункта относительно исходных пунктов. Местоположение вновь определяемого пункта невозможно определить с точностью, которая выше точности измерений. В лучшем случае ошибка определения местоположения равна ошибке измерений. Сказанное можно выразить в виде формулы, связывающей ошибку mопр определения местоположения и ошибку измерения mизм (2):

PDOP имеет ясный геометрический смысл. Представим пункт наблюдений, из которого направлены на четыре наблюдаемых спутника векторы единичной длины. Если соединить концы векторов, то образуется трехгранная пирамида. Объем этой пирамиды является величиной, обратной PDOP. Ясно, что чем больше объем пирамиды, тем меньше PDOP, тем точнее определяется местоположение приемника. Например, хорошо, если наблюдается спутник вблизи зенита пункта и спутники, находящиеся невысоко над горизонтом и более-менее равномерно распределенные по азимуту. На самом деле, в области приема антенны приемника находятся много спутников, порой до девяти-десяти. Приемник вычисляет и выдает на дисплей PDOP для спутников, наиболее удачно в геометрическом смысле расположенных относительно приемника.

Источник

Кодовые и фазовые измерения.

Интервал времени между появлением на приемнике собственного кода и аналогичного кода, пришедшего от спутника, измеряют.

Если бы часы приемника были точно синхронизированы с часами спутника, то формирование кодов на спутнике и в приемнике происходило бы одновременно. В этом случае измеренный интервал времени между появлениями на приемнике собственного кода и кода, пришедшего от спутника, был бы равен времени прохождения сигнала от спутника до приемника, что позволило бы вычислить расстояние до спутника. Однако показания часов спутника и приемника расходятся на некоторую величину, равную δ s – δ_p, где δ s – ошибка часов спутника, δ_p – ошибка часов приемника. Поэтому измеренное расстояние R существенно отличается от верного и носит название – псевдорасстояние.

Допустим, что ионо- и тропосферная задержки сигнала учтены путем введения соответствующих поправок. Тогда измеренное псевдорасстояние от пункта p до спутника s в эпоху (момент времени) t может быть представлено уравнением

,

Информация о часах спутника передается в составе навигационного сообщения, что дает возможность вычислить ошибку часов спутника на эпоху t и учесть ее.

Таким образом, для псевдорасстояния имеем уравнение

. (10.1)

Неизвестными величинами здесь являются X_p, Y_p, Z_p, δ_p(t). Для определения четырех неизвестных необходимо иметь не менее четырех уравнений, то есть в одну эпоху необходимо измерить псевдорасстояния не менее, чем до четырех спутников.

Координаты определяются по результатам кодовых измерений с точностью около 3 м.

Для повышения точности пользуются дифференциальным методом. На контрольном пункте с известными координатами устанавливают приемник спутниковых сигналов и, определив его координаты по спутникам, вычисляют расстояния до спутников. Сравнив эти расстояния с вычисленными по известным координатам, определяют поправки и по радио сообщают их потребителям. Поправками исправляют псевдорасстояния, измеряемые потребителями, при этом ошибки определения места относительно контрольного пункта не превышают 1 м.

Кодовые измерения применяются при решении задач навигации. В геодезических работах кодовые измерения играют вспомогательную роль – служат для определения приближенных координат пунктов сети.

Фазовые измерения. Точные геодезические измерения выполняют на несущих частотах L1 и L2 (в одночастотных приемниках – только на частоте L1). При этом измеряют разности фаз между колебаниями, принятыми от спутника, и колебаниями такой же частоты, выработанными в приемнике.

– фазу частоты , поступившей на приемник в эпоху t от спутника s;

– фазу собственной такой же частоты приемника в ту же эпоху.

Для указанных фаз справедливы уравнения:

Здесь r – расстояние от спутника до приемника;

– время, затраченное на путь сигнала от спутника до приемника;

– ошибка часов спутника;

– ошибка часов приемника.

Вычитая из первого фазового уравнения второе, получаем фазовое уравнение измеряемой разности фаз :

.

.

Умножим уравнение на длину волны и учтем, что , где T – период колебаний. Получим

. (10.2)

Представим разность фаз виде суммы двух частей:

, (10.3)

где N – целое число периодов, а F – дробь.

Подставляя выражение (10.3) в (10.2), напишем:

. (10.4)

Расстояние между спутником и приемником непрерывно изменяется, отчего изменяется и сдвиг по фазе + F.

В приемнике спутниковых сигналов предусмотрено измерение непрерывно изменяющейся разности фаз F и подсчет числа переходов ее через нуль, изменяющих целое число волн в расстоянии. Это число прибавляется к измеряемой величине F, отчего суммарный сдвиг по фазе оказывается неправильной дробью, а неизвестное число N остается постоянным для всех расстояний от пункта p до спутника s. Определение целого числа N называется разрешением его неоднозначности.

Учитывая изложенное, напишем уравнение измеренного сдвига по фазе сигнала, принятого от спутника s на пункте p в эпоху t:

, (10.5)

где ;

– частота излучения.

Для n_s спутников, n_t эпох и одной точки p число измерений, а значит, и число уравнений (10.5) будет равно n_sn_t.Неизвестными в такой системе уравнений являются три координаты приемника (X_p, Y_p, Z_p), а также n_s чисел неоднозначности и n_t смещений часов приемника.

Разности фаз измеряют с высокой точностью, соответствующей долям миллиметра. Однако вычислить решением системы уравнений (10.5), составленных по результатам фазовых измерений, координаты приемника с указанной точностью не удается из-за ошибок орбиты, влияния ионосферы и других причин.

Точность фазовых измерений реализуют, применяя метод относительного определения положения пунктов. Результаты одновременных наблюдений одного и того же спутника в двух пунктах содержат значительные, но общие, близкие по величине погрешности. Поэтому разности результатов измерений от них практически свободны и позволяют с высокой точностью определять разности координат X, Y, Z двух пунктов, то есть трехмерный вектор DX, DY, DZ, их соединяющий. Следовательно, зная координаты X, Y, Z одного пункта, можем, определив разности координат DX, DY, DZ до другого, вычислить и его координаты.

Фазовые измерения в геодезических работах являются основными, обеспечивая возможность построения геодезических сетей высокой точности.

Источник

Кодовые и фазовые измерения

Интервал времени между появлением на приемнике собственного кода и аналогичного кода, пришедшего от спутника, измеряют.

Если бы часы приемника были точно синхронизированы с часами спутника, то формирование кодов на спутнике и в приемнике происходило бы одновременно. В этом случае измеренный интервал времени между появлениями на приемнике собственного кода и кода, пришедшего от спутника, был бы равен времени прохождения сигнала от спутника до приемника, что позволило бы вычислить расстояние до спутника. Однако показания часов спутника и приемника расходятся на некоторую величину, равную δ s – δ_p, где δ s – ошибка часов спутника, δ_p – ошибка часов приемника. Поэтому измеренное расстояние R существенно отличается от верного и носит название – псевдорасстояние.

Допустим, что ионо- и тропосферная задержки сигнала учтены путем введения соответствующих поправок. Тогда измеренное псевдорасстояние от пункта p до спутника s в эпоху (момент времени) t может быть представлено уравнением

,

где X s (t), Y s (t), Z s (t) – координаты спутника в эпоху t; X_p, Y_p, Z_p – определяемые координаты приемника; c – скорость света.

Информация о часах спутника передается в составе навигационного сообщения, что дает возможность вычислить ошибку часов спутника на эпоху t и учесть ее.

Таким образом, для псевдорасстояния имеем уравнение

. (10.1)

Неизвестными величинами здесь являются X_p, Y_p, Z_p,δ_p(t). Для определения четырех неизвестных необходимо иметь не менее четырех уравнений, то есть в одну эпоху необходимо измерить псевдорасстояния не менее, чем до четырех спутников.

координаты определяются по результатам кодовых измерений с точностью около 3 м.

Для повышения точности пользуются дифференциальным методом. На контрольном пункте с известными координатами устанавливают приемник спутниковых сигналов и, определив его координаты по спутникам, вычисляют расстояния до спутников. Сравнив эти расстояния с вычисленными по известным координатам, определяют поправки и по радио сообщают их потребителям. Поправками исправляют псевдорасстояния, измеряемые потребителями, при этом ошибки определения места относительно контрольного пункта не превышают 1 м.

Кодовые измерения применяются при решении задач навигации. В геодезических работах кодовые измерения играют вспомогательную роль – служат для определения приближенных координат пунктов сети.

Фазовые измерения. Точные геодезические измерения выполняют на несущих частотах L1 и L2 (в одночастотных приемниках – только на частоте L1). При этом измеряют разности фаз между колебаниями, принятыми от спутника, и колебаниями такой же частоты, выработанными в приемнике.

– фазу частоты , поступившей на приемник в эпоху t от спутника s;

– фазу собственной такой же частоты приемника в ту же эпоху.

Для указанных фаз справедливы уравнения:

Здесь r – расстояние от спутника до приемника;

– время, затраченное на путь сигнала от спутника до приемника;

– ошибка часов спутника;

– ошибка часов приемника.

Вычитая из первого фазового уравнения второе, получаем фазовое уравнение измеряемой разности фаз :

.

.

Умножим уравнение на длину волны и учтем, что , где T – период колебаний. Получим

. (10.2)

Представим разность фаз виде суммы двух частей:

, (10.3)

где N – целое число периодов, а F – дробь.

Подставляя выражение (10.3) в (10.2), напишем:

. (10.4)

Расстояние между спутником и приемником непрерывно изменяется, отчего изменяется и сдвиг по фазе + F.

В приемнике спутниковых сигналов предусмотрено измерение непрерывно изменяющейся разности фаз F и подсчет числа переходов ее через нуль, изменяющих целое число волн в расстоянии. Это число прибавляется к измеряемой величине F, отчего суммарный сдвиг по фазе оказывается неправильной дробью, а неизвестное число N остается постоянным для всех расстояний от пункта p до спутника s. Определение целого числа N называется разрешением его неоднозначности.

Учитывая изложенное, напишем уравнение измеренного сдвига по фазе сигнала, принятого от спутника s на пункте p в эпоху t:

, (10.5)

где ;

– частота излучения.

Для n_s спутников, n_t эпох и одной точки p число измерений, а значит, и число уравнений (10.5) будет равно n_sn_t. Неизвестными в такой системе уравнений являются три координаты приемника (X_p, Y_p, Z_p),а также n_s чисел неоднозначности и n_t смещений часов приемника.

Разности фаз измеряют с высокой точностью, соответствующей долям миллиметра. Однако вычислить решением системы уравнений (10.5), составленных по результатам фазовых измерений, координаты приемника с указанной точностью не удается из-за ошибок орбиты, влияния ионосферы и других причин.

Точность фазовых измерений реализуют, применяя метод относительного определения положения пунктов. Результаты одновременных наблюдений одного и того же спутника в двух пунктах содержат значительные, но общие, близкие по величине погрешности. Поэтому разности результатов измерений от них практически свободны и позволяют с высокой точностью определять разности координат X, Y, Z двух пунктов, то есть трехмерный вектор DX, DY, DZ, их соединяющий. Следовательно, зная координаты X, Y, Z одного пункта, можем, определив разности координат DX, DY, DZ до другого, вычислить и его координаты.

Фазовые измерения в геодезических работах являются основными, обеспечивая возможность построения геодезических сетей высокой точности.

Источник

Кодовый и фазовый метод определения дальностей

Характеристика, механизм и назначение кодового и фазового метода определения дальностей. Их сравнительный анализ и значение при различных способах позиционирования. Особенности применения при измерениях кодового и фазового методов определения дальностей.

Отправить свою хорошую работу в базу знаний просто. Используйте форму, расположенную ниже

Студенты, аспиранты, молодые ученые, использующие базу знаний в своей учебе и работе, будут вам очень благодарны.

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Теоретические основы исследования кодового и фазового метода определения дальностей

1.1 Характеристика и механизм кодового метода определения дальностей

1.2 Характеристика фазового метода определения дальностей

2. Сравнительный анализ кодового и фазового методов определения дальностей

2.1 Значение кодового и фазового методов измерения дальностей при различных способах позиционирования

2.2 Особенности применения при измерениях кодового и фазового методов определения дальностей

Актуальность. Современные информационные системы предназначены для повышения эффективности управления с помощью информационных технологий подготовки и принятия решений.

Отличительной особенностью географических информационных систем является наличие в их составе специфических методов анализа пространственных данных, которые в совокупности со средствами ввода, хранения, манипулирования и представления пространственно-координированной информации и составляют основу технологии географических информационных систем, или ГИС-технологии. Именно наличие совокупности способных генерировать новое знание специфических методов анализа с использованием как пространственных, так и непространственных атрибутов и определяет главное отличие ГИС-технологии от технологий, например, автоматизированного картографирования или систем автоматизированного проектирования (так называемых САПРовских систем).

Основными функциями, реализуемыми ГИС являются:

— ввод и обновление данных;

— хранение и манипулирование данными;

— вывод и представление данных и результатов.

XXI век называют веком компьютеризации (информатизации) всей сферы жизнедеятельности человека: управления, образования, здравоохранения, сельского хозяйства и многих других сфер. Одним из бурно развивающих направлений компьютеризации является использование Геоинформационной системы.

Геоинформационная система (ГИС) в настоящее время внедряется во все сферы жизни человека, в том числе и в муниципальное управление, где она нашла разнообразные формы применения, речь о которой пойдет на данном реферате.

Цель исследования курсовой работы:

Что такое геоинформационная система.

Где используется кодовый и фазовый метод определения дальности.

Провести сравнительный анализ кодового и фазового методов определения дальностей.

1. Теоретические основы исследования кодового и фазового метода определения дальностей

1.1 Характеристика и механизм кодового метода определения дальностей

В ГЛОНАСС, в отличие от GPS, нет режимов, которые принудительно загрубляют результаты и дополнительно шифруют высокой точности код.

Стандартной точности GPS-код обозначается как С/А-код. Интерпретируется как свободно доступный и легко распознаваемый (Clear Acquisition), или как гражданский (Civil Application). Частота повторения символов кода в десять раз меньше, чем у Р-кода. Поэтому длительность одного его символа около 1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 300 м. Инструментальная погрешность в псевдодальности может составить несколько метров. Продолжительность кода 1 мс. Это означает, что через 1 мс, примерно через каждые 300 км пути, код повторяется. Вследствие этого возникает проблема неоднозначности измерений, ибо неизвестно сколько раз этот код повторился на пути от спутника до приемника. Для разрешения неоднозначности псевдодальностей нужна дополнительная телеметрическая информация, или необходимо знать координаты приемника с ошибкой до 150 км.

В существующих ГСП коды высокой точности передаются как на частоте L1, так и на частоте L2. В силу этого частоты L1 и L2 называют несущими. Гражданские коды транслируются только на несущей частоте L1. Это означает, что измеренные с помощью гражданских кодов дальности не защищены от ионосферных искажений.

1.2 Характеристика фазового метода определения дальностей

Измерение дальности фазовыми методами заключается в измерении приращения фазы гармонического колебания масштабной частоты за время запаздывания отраженного сигнала:

Частота Fм и длина волны лм=с/Fм называются масштабными потому, что от них зависит масштаб шкалы дальности, т.е. коэффициент пропорциональности между измеряемым фазовым сдвигом Дц и дальностью цели Д.

Через фазовые интервалы Дц=2р гармоническое колебание, а с ним и показания фазометра повторяются. Отсюда согласно формуле (8) максимальный предел однозначно измеряемой дальности

Вместе с тем масштабная частота влияет на точность определения дальности. Действительно, из формулы (9) дальность Д=сДц/4рFм=лмДц/4р, и если фазометр измеряет Дц со среднеквадратической ошибкой уДц, то дальность определяется со среднеквадратической ошибкой

уд =суДц/4рFм=лмуДц/4р (10)

Шумы препятствуют точному определению фазового сдвига и увеличением отношения сигнал/шум qо ошибка уДцп уменьшается: уДцп=1/[рад]. С учетом этого из формулы (10) находим потенциальную среднеквадратическую ошибку измерения дальности фазовыми методами:

Как видно, всем фазовым дальномерам присуще противоречие: увеличение масштабной частоты способствует повышению точности измерений, но уменьшает предел однозначно измеряемой дальности. Рассмотрим, как разрешается это противоречие в двух применяемых на практике фазовых методах.

Фазовый радиодальномер с модуляцией несущей. Передающая антенна излучает радиоволны несущей частоты fо, модулированные по амплитуде гармоническими колебаниями низкой частоты F, а сравнение фаз излучаемого и отраженного сигналов производится на частоте огибающей Fм этих сигналов. Пропорционально уменьшению масштабной частоты от fо до Fм=F (увеличению масштабной длины волны лм=с/F) возрастает однозначно измеряемая дальность Додн. Например, при частоте модуляции F=300 Гц длина волны лм=3·10/300=10м и Додн=лм/2=10/2=5·10м=500 км.

В передатчике дальномера (Рис.5,6) колебания генератора высокой частоты модулируются по амплитуде колебаниями генератора масштабной частоты. Отраженные от цели АМ колебания усиливаются и демодулируются амплитудным детектором. Следовательно, выходное напряжение приемника uпрм имеет частоту, равную масштабной Щм=2рFм, но отличается по фазе от напряжения uм на Щмtд. Этот фазовый сдвиг измеряется фазометром.

На функциональной схеме показан неследящий измеритель фазы с дискретным счетом дальности. Измерение сводится к счету числа эталонных импульсов Nэт, генерируемых за время запаздывания сигнала tд. Очевидно, что период следования этих импульсов Тэт должен быть строго стабильным и существенно меньше запаздывания сигнала tд даже при минимальной дальности цели.

Сравниваемые по фазе синусоидальные напряжения uм и uпрм преобразуются амплитудными ограничителями в прямоугольные колебания uом и uопрм, которые затем перемножаются, чтобы получить колебания отрицательной полярности в течение времени tд и положительной полярности в остальную часть полупериода модуляции. Каскад совпадения имеет два входа: на один от генератора отрицательных эталонных импульсов поступают колебания uэт, а на другой от перемножителя-колебания uом и uопрм. Так как те и другие совпадают по знаку только в интервалы времени tд, то эталонные импульсы uэт проходят к счетчику пачками Nэт=tд/Tэт и цифровой счетчик указывает дальность цели пропорционально числу Nэт:

Ошибка дискретности измерителя соответствует периоду эталонных импульсов:

Увеличение частоты Fэт уменьшает ошибку ДДдкр, но усложняет реализацию счета импульсов. При Fэт=10 Гц имеем ДДдкр=3?10/2?10=15 м.

Противоречие в выборе масштабной частоты разрешают применение многошкального отсчета: подобно измерению времени с помощью часовой, минутной и секундной стрелок часов, дальность определяют одновременно

или последовательно с помощью грубой шкалы, соответствующей самой

Отраженные от цели сигналы улавливаются приемной антенной, разветвляются по частотам f1,f2, проходят через усилители-ограничители и преобразуются смесителем II в колебания разностной частоты f1-f2. Частоты f1,f2 выбираются близкими друг другу и для них фазовые сдвиги, обусловленные отражением волн от цели и задержкой в РЛС, можно считать одинаковыми. На выходе смесителя II эти сдвиги полностью вычитаются и с учетом времени запаздывания сигнала tд=2Д/с фазовый угол выходного напряжения

ш11=(2рf1-2рf2)(t-2Д/c)+(ш01-ш02)=рДf(t-2Д/c)+ (ш01-ш02) (15)

Фазометр измеряет разность фаз ш1,ш11, выраженных формулами (14),(15), и определяет дальность цели согласно выражению

Дш= ш1-ш11=2рДf(t-t+2Д/c)+(ш01-ш02)- (ш01-ш02)=4рДfД/c=4рД/Дл (16)

Легко заметить, что фазометр двухчастотного дальномера не реагирует на сдвиг по фазе, вызванный отражением волн от цели, и позволяет получить требуемый диапазон однозначного измерения дальности за счет малой разности длин волн Дл=c/Дf, которая играет роль масштабной длины волны: лм=Дл. Соответственно масштабная частота Fм=Дf.

Рисунок 1. Функциональная схема двухчастотного фазового радиодальномера

Подбором величины Дf добиваются однозначных измерений в заданном диапазоне дальности, а многошкальным отсчетом обеспечивают необходимую точность. Высокая стабильность и кратность частот Fм этих шкал достигается тем, что сначала получают различные пары частот f1 и f2 умножением и смешением колебаний первичного кварцевого генератора, а затем образуют требуемые масштабные частоты Fм как биения частот f1,f2.

Осуществление фазового радиодальномера на биениях усложняется тем, что невозможно разделить непрерывные прямой и ответный сигналы одинаковой частоты. По этой причине метод биений применяется только в системах с активным ответом, где ответный сигнал излучается на частоте, отличной от частоты запросного сигнала.

2. Сравнительный анализ кодового и фазового методов определения дальностей

кодовый фазовый дальность позиционирование

2.1 Значение кодового и фазового методов измерения дальностей при различных способах позиционирования

Способами абсолютного позиционирования определяют полные координаты пунктов. Относительным позиционированием находят приращения координат или вектор между двумя пунктами. При относительном позиционировании основные измерения выполняются фазовым методом; параллельно с этим, в целях нахождения приближенных значений координат и разрешения неоднозначности фазовых циклов, измеряют кодовые псевдодальности.

Точность способов существенно различна: от долей сантиметра до сотни метров. Наибольшую точность обеспечивают дифференциальные и особенно относительные способы. В их основе лежит предположение, что измерения с двух станций до спутника искажены примерно одинаково. Чем станции ближе друг к другу, тем это утверждение точнее.

Автономно координаты определяют пространственной линейной засечкой по кодовым псевдодальностям, измеренным до четырех и большего числа спутников. Способ автономный в том смысле, что наблюдатель определяет местонахождение независимо от измерений на других станциях. Способ чувствителен к любым искажениям. Средние квадратические погрешности (СКП) в дальностях даны в табл. 1.

± 10м. Чтобы оценить, как точно будут определены координаты, надо учесть так называемый геометрический фактор. Геометрический фактор (ГФ) характеризует потери точности из-за геометрии засечки (геометрии расположения спутников). ГФ очень важная характеристика качества измерений: чем ГФ больше, тем хуже засечка. СКП положения пункта в пространстве равна произведению ГФ на СКП измерения псевдодальностей. Стремятся, чтобы ГФ Ј 4. Полагая геометрический фактор равным 3 и учитывая ранее указанные точности измерений, найдем, что положение станции в пространстве будет зафиксировано с СКП

±15 м, а в режиме SA

Угол b мал. Приблизительно b

D/R. Тогда разность искажений

при d = 10 м, R = 20 000 км и sin(a) = 1 получаем

Погрешности в эфемеридах в значительной мере исключаются. Чем меньше расстояние между станциями, тем точнее коррекции. Что же касается искажений, вносимых АП, то их можно учесть, как и в автономном позиционировании.

Рис. 3. Влияние погрешностей в эфемеридах КА

Поправки вводят или после измерений при обработке (постобработка), или передают их по дополнительному цифровому радиоканалу и учитывают в ходе измерений в реальном времени. Поправки быстро стареют, поэтому одновременно транслируют данные о скорости их изменения. Дифференциальные коррекции применяют и к фазовым измерениям.

Точность дифференциального позиционирования зависит от приемников, ГФ, программного обеспечения и колеблется от первых дециметров до нескольких метров. Коррекции к фазовым дальностям повышают точность до сантиметрового уровня (PDGP).

Радиотехническая комиссия по морской службе RTCM (Radio Technical Comission for Maritime Services) образовала специальный комитет SC-104, который разрабатывает вопросы по содержанию, форматам и способам передачи дифференциальных поправок.

Для передачи дифференциальных поправок используются средневолновый (275-2000 кГц) и УКВ (390-1550 МГц и 3-300 ГГц) радиоканалы. Геодезические приемники обычно имеют вход, позволяющий принимать в форматах RTCM SC-104 поправки в псевдодальности по каждому спутнику. Наличие RTCM-выхода, в свою очередь, дает возможность использовать приемник в качестве базового для генерирования и трансляции по дополнительному цифровому радиоканалу поправок на другие приемники. Формат RTCM SC-104 предусматривает трансляцию и неисправленных псевдодальностей, и фаз несущих волн. Поэтому в широком смысле под дифференциальным позиционированием часто понимают способ определения местоположения приемника в реальном времени по переданным данным (Leick, 1995).

Основой широкозонных ДПС является сеть ККС, передающих информацию в центр управления для их совместной обработки. Размер зоны около 5000 км. Широкозонной ДПС GPS и ГЛОНАСС является, например, система EGNOS (European Geo-stationary Navigation Overlay Service).

Статика. Наиболее ощутимые выгоды от внедрения идеи исключения погрешностей достигнуты в способах относительных измерений. Как и в дифференциальном способе, аппаратуру устанавливают на двух станциях, например A и B. Одну из них также называют базовой или референц-станцией. Никаких коррекций не определяют, а формируют разности из наблюдений на станциях. В статике по разностям, свободным от многих искажений, вычисляют соединяющий эти станции вектор D:

Базовая станция должна иметь точные координаты, чтобы по измеренным приращениям можно было бы вычислить координаты остальных пунктов геодезической сети.

Благодаря измерению приращений координат и применению фазового метода погрешности в результатах сведены к нескольким сантиметрам. Эти способы являются основными в геодинамических и важнейших геодезических работах.

Наиболее точным и трудоемким является способ статики. Точность статики зависит от продолжительности измерений. Измерения в течение 5 минут обеспечивают дециметровую точность (Cannon, 1994). Обычно продолжительность наблюдений на паре станций составляет около одного часа. За это время происходит накопление измерений, выполняемых через интервалы от 1 секунды до 5 минут.

При отслеживании минимум 5 КА для многих приемных систем характерны следующие значения СКП (Dкм расстояние до базовой станции в км):

Одновременное наблюдение спутников GPS и ГЛОНАСС позволяет достичь сантиметровой точности в 3-6 раз быстрее.

Кинематика. Для съемочных и других работ, требующих значительных передвижений на местности, предложен ряд разновидностей способов кинематического позиционирования. Измерения начинают со станций A и B, координаты которых и, следовательно, вектор D между ними уже должны быть известны.

1. Положение вектора известно точнее 5 см. Приемники устанавливают на его концах и наблюдают несколько минут.

2. Базовый вектор неизвестен. Его определяют статическим позиционированием.

Инициализацию производят по 4 и более спутникам. Затем работающий приемник перемещают в некоторую другую точку, определяют ее координаты и т.д. Измерения ведут по одним и тем же спутникам. В случае потери сигналов спутников измерения повторяют, начиная с пункта с известными координатами. В практике позиционирования применяют сложные технологические схемы с повторными заходами на определяемые пункты и на пункты с известными координатами (Постоногов, 1994).

Способ непрерывной кинематики позволяет «цифровать» контуры на местности: не останавливаясь, перемещаются с приемником по контуру и через заданные интервалы времени фиксируют его координаты. Способ «Стой-иди» предусматривает возможность остановиться на точке, выполнить более длительные измерения, а затем продолжить движение. В этих способах полевые наблюдения и обработка разделены во времени. Когда имеется цифровой радиоканал, данные с базового приемника передают на

подвижный, и применяют способ кинематики реального времени. Ориентировочно точность кинематического позиционирования характеризуется СКП: ((10-20) + 2D_км) мм.

2.2 Особенности применения при измерениях кодового и фазового методов определения дальностей

В настоящее время в околоземном космическом пространстве находится около 30 спутников NAVSTAR, около 20 ГЛОНАСС и 3 спутника COMPASS.

Основные характеристики спутниковых навигационных систем

Число орбитальных плоскостей

Число ИСЗ в орбитальной плоскости

Близкие к круговой

Наклонение орбит, град.

Способы позиционирования можно разделить на две группы:

· абсолютные определения координат кодовым методом:

o автономные (15—30 м);

o дифференциальное (1—5 м);

· относительные фазовые измерения:

o статическое (5—10 мм);

o кинематическое (10—30 мм).

При выполнении абсолютных измерений определяются полные координаты точек земной поверхности.

Однако, на приемнике сложно установить атомные часы, поэтому часы приемника и спутника идут не синхронно, а отличаются на некоторую поправку. Поэтому вычисленное расстояние от спутника до приемника называют псевдодальностью. Принципиальной формулой определения расстояния от спутника до приемника Rизм является формула:

Координаты определяются по результатам кодовых измерений с точностью около 3 м.

Для решения геодезических задач, когда необходимо получать координаты точек с высокой точностью, используют относительные измерения, при которых дальности до спутников определяют фазовым методом, и по ним вычисляют приращения координат или вектора между станциями, на которых установлены спутниковые приемники.

Различают два основных способа относительных измерений: статический и кинематический.

Принципиальной формулой определения расстояния от спутника до приемника является формула:

В общем, для определения координат пунктов с помощью спутниковой аппаратуры выполняют следующие работы:

· подготовительные, которые включают составление проекта сети, рекогносцировку и уточнение проекта, закладку центров на определяемых пунктах;

· измерения, которые включают развертывание аппаратуры, соединение кабелями ее частей, центрирование и ориентирование антенны, определение высоты антенны, установку карты памяти, ввод названия пункта и высоты антенны, выбор нужного режима измерений, после чего измерения и регистрация результатов выполняются автоматически;

· обработку результатов измерений с использованием программных пакетов, прилагаемых к спутниковой аппаратуре.

Основные методы съемки с применением спутниковых геодезических приборов приведены в таблице ниже.

Параметры, характеризующие точность определения положения

кинематика и кинематика в реальном времени

Режим «Статика» используются для измерений с высокой точностью. Высокая точность достигается длительными измерениями (45-60 мин) на двух или нескольких пунктах. Один из приемников принимают за базовый и устанавливается на пункт с известными координатами. Положение остальных приемников-роверов определяется относительно базового. Такая длительность измерений вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии.

Измерения в этом режиме выполняют, как правило, на больших расстояниях между пунктами (свыше 15 км). Время наблюдений зависит от расстояния между пунктами, числа спутников, состояния ионо- и тропосферы, требуемой точности и составляет обычно около 1 часа.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

для двухчастотных приемников:

· в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;

· по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D.

для одночастотных приемников:

· по высоте: 10 мм + 2 мм/км * D).

Режим «Быстрая статика» позволяет сократить продолжительность измерений, благодаря возможности применения на линиях до 15 км активных алгоритмов разрешения неоднозначности. Продолжительность наблюдения в этом режиме составляет 5—20 мин

Режим «Реоккупация» используется, когда нет одновременной видимости на необходимое число спутников. Тогда измерения выполняют за несколько сеансов, накапливая нужный объем данных. На этапе компьютерной обработки все данные объединяют для выработки одного решения.

Если имеется цифровой радиоканал и данные с базового приемника в процессе измерений можно передавать на подвижную станцию, координаты получают в режиме реального времени, т. е. непосредственно на определяемой точке.

Съемка с использованием геодезических спутниковых приемников выполняется в три этапа:

· создание геодезического съемочного обоснования;

В ходе подготовительных работ выбирают места для закрепления точек съемочного обоснования с таким расчетом, чтобы не было помех от расположенных вблизи сооружений, крон высоких деревьев, источников мощного радиоизлучения. Все эти факторы могут существенно снизить качество выполняемых спутниковых измерений. Кроме того, особое внимание уделяется планированию наблюдений.

Навигационной задачей принято называть нахождение пространственно-временных координат потребителя и составляющих вектора его скорости, в совокупности называемых вектором потребителя. В результате решения навигационной задачи в общем случае должны быть найдены пространственные координаты потребителя (х, у, z), поправка t к шкале времени потребителя относительно шкалы времени спутниковой навигационной системы и составляющие вектора скорости как производные от координат потребителя во времени. Потребитель имеет возможность измерять задержку сигнала и доплеровский сдвиг частоты (радионавигационные параметры), а также выделять из сигнала данные альманаха и эфемерид (навигационное сообщение). Геометрические параметры, которые соответствуют радионавигационным, принято называть навигационными параметрами. Функциональную связь между навигационными параметрами и вектором потребителя называют навигационной функцией. Конкретный вид функции определяется многими факторами: системой координат, характером движения потребителя и т. п.

Координаты вычисляются методом трилатерации после определения дальности до каждого видимого спутника. Дальности определяются по коду или фазе несущей.

Между генерацией кода в спутнике и приёмом его GPS антенной проходит определённый период времени. Кодовые измерения позволяют определить этот промежуток времени и умножив его на скорость света, мы получим дальность до спутника.

GPS приёмники геодезического класса измеряют фазу в пределах цикла несущей. Длины волн L1 и L2 известны, поэтому дальности до спутников можно определить, добавив фазовый домер к общему числу длин волн между спутником и антенной.

Базовый приёмник в течение всего процесса измерений располагается неподвижно (например, на пункте геодезической основы с известными координатами). Ровер перемещается по определяемым точкам или участвует в процессе выноса точек в натуру. Результатом объединения данных, полученных этими двумя приёмниками, является пространственный вектор между базой и ровером. Этот вектор называется базовой линией.

Для определения положения ровера относительно базы используются различные методы измерений. Эти методы отличаются длительностью выполнения измерений:

— Для измерений в реальном времени используется радиомодем, который передаёт данные базы роверу. Результаты получаются непосредственно в поле.

— Методы измерений с постобработкой, требуют записи данных в поле и последующей их совместной обработки на офисном компьютере.

В основном выбор метода зависит от таких факторов, как конфигурация GPS-приёмника, требуемая точность, ограничения по времени и необходимости получения результатов в реальном времени.

Список литературы

6. Геттнер А. География. Ее история, сущность и методы / Под ред. Н. Баранского. М.-Л., 1930.

Источник