Кодовый и фазовый метод определения дальностей

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 Заключение

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

Геоинформационная система (ГИС) — это организованный набор аппаратуры, программного обеспечения, персонала и географических данных, предназначенных для эффективного ввода, хранения, обновления, обработки, анализа и визуализации данных, всех видов географически организованной информации.

Другими словами ГИС — это система, способная хранить и использовать данные о пространственно-организационных объектах.

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;

— анализ данных;

— 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 этом случае используются специальные дальномерные коды. Они представляют собой импульсы, чередующиеся в определенной последовательности. Обычно их обозначают символами 0 и 1. Таким образом, код — это некоторая периодически повторяющаяся комбинация 0 и 1. Дальномерный код должен иметь значительную продолжительность и случайное распределение 0 и 1. В этом случае два идентичных кода коррелируют лишь тогда, когда они полностью совмещены друг с другом. Практически коды имеют псевдослучайное распределение О и 1, так как они вырабатываются по определенным строгим закономерностям. На спутнике и в приемнике синхронно генерируют одинаковые коды. В сущности код в приемнике представляет собой копию кода спутника. Принятый в приемнике код спутника запаздывает по отношению к местному на время, пропорциональное пройденному им расстоянию. Поэтому пришедший и местный коды не коррелируют. Время распространения сигнала, следовательно, и дальность от приемника до спутника определяют задержкой местного кода до обнаружения сильной его корреляции с кодом, принятым со спутника.

Практически измеряют не дальности, а искаженные их значения — псевдодальности. Псевдодальность отличается от истинной дальности на величину, пропорциональную расхождению шкал времени на спутнике и в приемнике. Если отсчеты по всем каналам приемника, принимающим сигналы от разных спутников, проводятся одновременно, то отличия псевдодальностей от дальностей до любого спутника будут одинаковыми. Это отличие может быть исключено введением его в качестве дополнительного неизвестного в уравнения местоопределения.

Генерируют коды двух типов: высокой и стандартной точности. Первые точнее, сложнее и используются в военных целях, вторые проще и предназначены для гражданских пользователей. Код высокой точности имеет значительную продолжительность и хорошо защищен от несанкционированного вмешательства. В GPS он обозначается как Р-код. Трактуется как точный (Precision) или защищенный (Protected). Длительность одного символа кода около 0,1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 30 м. Инструментальная погрешность определения псевдодальностей составляет несколько дециметров. Продолжительность кода семь суток. Каждый GPS-спутник имеет свой семисуточный фрагмент. Смена фрагментов на всех спутниках происходит еженедельно в 0 часов с субботы на воскресенье. Военный Р-код хорошо защищен. Кроме того, в случае возникновения угрозы национальной безопасности США могут быть введены еще два режима защиты. Это режим избирательного доступа (Selective Availability — SA), при котором преднамеренно в целях понижения точности измерений искажают дальномерный код и данные о местонахождении спутников, и режим дополнительного шифрования (Anti Spoofing — AS), когда Р-код переводится в новый Y-код.

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 GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код — разделение сигналов кодовое. В ГЛОНАСС каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды — разделение сигналов частотное.

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

Фазовым методом выполняют наиболее точные измерения. Для этого используют несущие волны L1 и L2. Инструментальная погрешность метода не превышает 1−2 мм. Метод основан на том, что фаза синусоидального колебания изменяется пропорционально времени. По истечении каждого периода фаза колебаний меняется на один цикл. В приемнике фаза принятой со спутника волны отличается от фазы местных колебаний на величину, пропорциональную расстоянию от спутника до приемника. При фазовом методе измерений возникает сложная проблема разрешения неоднозначности (многозначности). На пути от спутника к приемнику изменению расстояния в одну длину волны соответствует изменение фазы волны в один цикл (период). Поэтому результат измерения разности фаз пришедшего и местного колебаний должен был бы состоять из некоторого целого числа циклов и дробной их части. Учитывая длину волны и высоту полета спутников, нетрудно подсчитать, что циклов должно быть около 100 000 000. В действительности измерениями фиксируется только дробная часть. Это означает, что при длине волны 19 см расстояние, каким бы оно не было большим, фиксируется только в пределах этого отрезка. Неоднозначность фазовых измерений обусловлена тем, что отсутствует возможность счета целого числа (N) уложений длины волны в измеряемом расстоянии. Нужны дополнительные усилия, чтобы получить однозначные значения дальностей. Разрешение неоднозначности фазовых измерений — одна из труднейших задач, решаемых ГСП Измерение дальности фазовыми методами заключается в измерении приращения фазы гармонического колебания масштабной частоты за время запаздывания отраженного сигнала:

Дц=Щмtд=2рFм· Д/с=4рД/лм (8)

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

Додн=лм/2 (9)

Наиболее простым по устройству был бы фазовый радиодальномер с излучением колебаний только одной — несущей частоты fо. Но тогда масштабная частота Fм=fо и длина волны лм=ло=с/fо, а так как РЛС обычно работают на УКВ, то это ограничило бы однозначно измеряемую дальность несколькими метрами (Додн= лм/2).

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:

удп=суДцп/4рFм=с/4рFм=лм/4р (11)

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:

Д=ctд/2=сNэтТэт/2=сNэт/2Fэт. (12)

Ошибка дискретности измерителя соответствует периоду эталонных импульсов:

ДДдкр=сТэт/2=с/2Fэт (13)

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 низкой модулирующей частоте Fм1, и более точной шкалы, соответствующей масштабной частоте Fм2, которая кратна Fм1, и если требуется — по еще более точным шкалам, проградуированным для более высоких масштабных частот Fм= Fм3, Fм4, …

Частоту Fм1 выбирают исходя из заданной максимально измеряемой дальности, а самую большую масштабную частоту — согласно требуемой точности измерений. При этом число шкал должно быть таким, чтобы при пересчете данной ошибки на ближайшую точную шкалу максимальная фазовая ошибка шкалы не превысила 2р.

Двухчастотные фазовые дальномеры. В этих дальномерах масштабная частота образуется в результате биений синусоидальных колебаний двух несущих частот f1, f2, которые генерируются с начальными фазами ш01, ш02 в передатчике (Рис.7). Колебания следуют через сумматор в передающую антенну и, кроме того, в смеситель I — в качестве опорных сигналов. На выходе этого смесителя получаются колебания разностной частоты Дf=f1-f2 c фазой ш1=(2рf1−2рf2)t+(ш01-ш02)=2рДft+(ш01-ш02) (14)

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.

Таблица 1 — Погрешности в кодовых дальностях

СКП псевдодальностей ~ ± 5 м, а в режиме SA ~ ± 10 м. 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 ~±30 м. Предельная погрешность в 2−3 раза больше и составит соответственно ±30ё40 и ±100 м. Наблюдая одновременно спутники GPS и ГЛОНАСС, например приемником Ashtech GG24 Surveyor, за счет увеличения числа спутников, улучшения ГФ и отсутствия в российской спутниковой системе режимов AS и SA, координаты определяют с СКП < 10 м. Точность автономного способа повышают продолжительными (до 10−15 минут) наблюдениями на точке и совместной обработкой всех измерений.

Табл. 1 содержит приближенные оценки случайных погрешностей. Систематические, обусловленные задержками сигналов в АП, исключают. Для этого псевдодальности измеряют как минимум до 4 спутников и определяют 4 параметра — 3 координаты станции и искажения на ней. Приемниками типа GG24 Ashtech наблюдают минимум 5 ИСЗ и вычисляют 5 неизвестных — 3 координаты станции и аппаратурные задержки в измерениях до спутников GPS и до спутников ГЛОНАСС.

Дифференциальный способ. Погрешности в кодовых псевдодальностях большие. Однако, важно учитывать не только величины, но и характер влияния. Многие из них можно устранить. В дифференциальном способе, в отличие от автономного, псевдодальности до спутников измеряют с двух станций на земле. Одна ставится на пункте с известными координатами. Ее называют базовой или референц-станцией (base or reference station). Другая, подвижная (rover), размещается над новой точкой. На базовой станции измеренные псевдодальности сравнивают с расстояниями, вычисленными по координатам, и определяют их разности. Эти разности, так называемые дифференциальные поправки (differential corrections), передают на другую станцию для исправления измерений. Способ основан на предположении, что многие погрешности, кроме АП, одинаково влияют на измерения с каждой станции. В самом деле. Погрешности, возникающие на данном КА и из-за действия режима SA, на обеих станциях практически одни и те же.

Воздействия атмосферы на разных линиях могут несколько различаться по причинам:

а) разные длины трасс и б) локальные неоднородности на трассах (рис. 2). Когда расстояние между станциями <10 км, искажения на обеих трассах практически одинаковы.

Рис. 2. Различные влияния атмосферы на трассах SA и SB

Рассмотрим, как влияют погрешности в координатах спутников (эфемеридах). На рис. 3 S истинное положение спутника, S' фиктивное, соответствующее принятым координатам. Их смещение SS' = d. Расстояние между станциями AB = D.

На рис. 3. не выдержан вертикальный масштаб; в действительности d «D, а D"R.

Соответственно дальности, вычисленные до станций A и B, искажены на малые величины

aS' = d^.cos (a + b) и bS' = d^.cos (a).

Угол b мал. Приблизительно b ~ D/R. Тогда разность искажений

DR = bS' - aS' = 2d sin (b/2) sin (a + b/2) «dbsin (a),

DR = d^.Dsin (a)/R.

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

DR_мм = 0,5D_км.

В формуле дальность D дана в километрах, а разность DR — в миллиметрах. Например, если расстояние между станциями 1 км, то разница в искажениях дальностей до одной и до другой станции составит всего 0,5 мм.

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).

Существует более 500 базовых станций, расположенных в разных странах мира, которые в своих прибрежных зонах передают дифференциальные коррекции в стандартном международном формате RTCM SC-104. Эти станции являются собственностью разных организаций и предлагают поправки свободно или за плату. Организованы службы, которые передают коррекции через спутники связи. В ряде стран созданы сети постоянно действующих базовых станций. Например, в Швеции 21 станция обеспечивает дифференциальные измерения по всей стране. В Российской Федерации также начато создание таких станций. Навигационные дифференциальные подсистемы (ДПС) условно подразделяют на локальные, региональные и широкозонные. Локальные ДПС имеют зону действия в радиусе 50 — 200 км от контрольно-корректирующей станции (ККС). Точность определения текущего местоположения: от 2 до 4,5 м. К локальным относят также геодезические ДПС с дальностью до 50 км и с дециметрово-сантиметровой точностью. Рабочая зона региональных ДПС простирается от 400 — 500 до 2000 км. Они могут иметь одну или несколько ККС. Примером является ДПС Startfix с дальностью действия свыше 2000 км, с 60 наземными ККС и четырьмя спутниками. Заявленная точность 1 — 2 м на дальностях до 1000 км и 3 м на дальностях свыше 2000 км.

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).

Корректирующая информация будет передаваться потребителям через геостационарные спутники AORE (Atlantic Ocean Region East) — 15,5⁰ западной долготы и IOR (Indian Ocean Region) — 64⁰ восточной долготы. Предполагаемая точность определения координат составит 2,5 — 5 м. Начало развертывания EGNOS — 1998 г., полная готовность будет достигнута в 2002 г. ДПС должны обеспечивать целостность системы. Целостность подразумевает нормальную работу всех спутников системы и своевременное оповещение пользователей о неполадках в ней. Так, служба контроля целостности EGNOS предупреждает пользователя менее, чем за 10 с. Помимо этого организуется контроль за достоверностью передаваемых поправок. При геодезическом использовании ДПС с этой целью следует выполнять контрольные измерения на пунктах с известными координатами.

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:

D = (X_B — X_A, Y_B — Y_A, Z_B — Z_A)^T

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):

При увеличении продолжительности наблюдений с 1 до 6 часов СКП уменьшается более, чем в 1,5 раза (Kolosovskis, 1995). Меньшую продолжительность наблюдений имеет способ ускоренной статики, где имеет место активный поиск чисел неоднозначности. Главная цель — как можно быстрее разрешить неоднозначность. Время этих измерений согласовано с количеством наблюдаемых спутников. Так, при 5 спутниках наблюдения длятся до 20, а при 6 — до 10 минут. Еще менее трудоемки наблюдения в псевдостатике. Подвижный приемник на станции принимает сигналы примерно в течение 10 минут. Затем его переносят на другие пункты. По истечении часа приемник возвращают на прежние пункты и продолжают сбор данных. Таким образом, непрерывность измерений на базовой станции сохраняется, а на подвижной станции они зафиксированы только в начале и в конце часового интервала.

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.

Процесс привязки подвижного приемника к базовому вектору называют инициализацией (от англ. initiate — начать). Ее цель — разрешить неоднозначность на известном базисе D. Применяют несколько способов инициализации.

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

2. Базовый вектор неизвестен. Его определяют статическим позиционированием.

3. Применяют способ перестановки антенн (Antenna Swapping). Антенну одного приемника устанавливают над пунктом базовой станции, антенну другого — в стороне на 5 — 10 м. Выполняют измерения. Затем, не трогая треног, антенны меняют местами и вновь выполняют измерения. После этого антенны возвращают на исходные позиции и проводят измерения.

4. Инициализация в полете (On The Fly — OTF). Исходное положение приемника определяют по псевдодальностям. Используя СКП псевдодальностей, оценивают объем пространства, содержащий точные значения расстояний. Перебором вариантов в этом пространстве рассчитывают числа неоднозначности. Неоднозначность разрешают за несколько секунд.

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

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.

Наблюдения, выполняемые на одном пункте независимо от измерений на других станциях, называются автономными. Автономные наблюдения очень чувствительны ко всем источникам погрешностей, обеспечивают точность определения координат 15 — 30 м и используются для нахождения приближенных координат в точных измерениях.http://wiki.cadastre.ru/doku.php?id=metod_sputnikovyih — fn__4#fn__4

Для повышения точности абсолютные измерения можно выполнять одновременно на двух пунктах: базовой станции Р₁, расположенной на точке с известными координатами (обычно пункте государственной геодезической сети), и подвижной станции Р₂, установленной над определяемой точкой. На базовой станции измеренные расстояния до спутников сравнивают с вычисленными по координатам и определяют их разности. Эти разности называют дифференциальными поправками, а способ измерения — дифференциальным. Дифференциальные поправки учитываются в ходе вычислений координат подвижной станции после измерений либо при использовании радиомодемов уже в процессе измерений. Дифференциальный способ основан на том соображении, что при относительно небольших расстояниях между станциями P₁ и Р₂ (обычно не более 10 км) погрешности измерений на них практически одинаковы. При увеличении расстояния между станциями точность падает. Для повышения точности измерений увеличивают время наблюдений, которое может колебаться от нескольких минут до нескольких часов.

При кодовых измерениях сигнал каждого спутника содержит его эфемериды — данные о его местоположении, позволяющие вычислить координаты спутника в земной системе координат, а также временную метку (время генерации сигнала — с использованием высокоточных атомных часов). Приемник, принимая сигнал от спутника, идентифицирует спутник по коду его сигнала, считывает временную метку и определяет время прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника.

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:

Где выражение под квадратным корнем — длина вектора, определенная через координаты спутника S и приемника P;

дt_s — для каждого спутника определяется с помощью станции управления и передается в составе навигационного сообщения;

дt_а — предвычислятся на основе моделирования задержек прохождения сигнала через атмосферу.

Следовательно, формула содержит четыре неизвестных — координаты приемника и поправка за уход приемника. Они определяются путем решения системы уравнений полученных по результатам одновременных наблюдений не менее 4 спутников.

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

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

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.

При статическом позиционировании, как и при дифференциальных измерениях, приемники работают одновременно на двух станциях — базовой с известными координатами и определяемой. После окончания измерений выполняется совместная обработка информации, собранной двумя приемниками. Точность способа зависит от продолжительности измерений, которая выбирается в соответствии с расстоянием между точками. Современные приемники позволяют достичь точности определения плановых координат (5—10 мм) + 1 — 2 мм/км, высотных — в 2 — 3 раза ниже.

Кинематические измерения позволяют получать координаты точек земной поверхности за короткие промежутки времени. При этом вначале статическим способом определяют координаты первой точки, т. е. выполняют привязку подвижной станции к базовой, называемую инициализацией, а затем, не прерывая измерений, передвижной приемник устанавливают поочередно на вторую, третью и т. д. точки. Для контроля измерения завершают на первой точке либо на пункте с известными координатами, где выполняют статические наблюдения. Точность кинематического способа составляет 2 — 3 см в плане и 6 — 8 см по высоте.

При фазовых измерениях 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.

Принципиальной формулой определения расстояния от спутника до приемника является формула:

Где N — число полных периодов изменения фазы за время прохождения сигналом расстояния от спутника до приемника:

f — частота несущих колебаний.

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

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 ионои тропосферы, требуемой точности и составляет обычно около 1 часа.

Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10−15 км, а двухчастотные — для баз длиннее 15 км (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 и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов.

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:

· в плане: 5 мм + 1 мм/км * D — (при D < 10 км);

· в плане: 5 мм + 2 мм/км * D — (при D > 10 км);

· 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.

Режим «Кинематика» служит для определения координат передвижной станции в ходе ее перемещения. При работе в этом режиме необходимо, чтобы приемники на базовой и передвижной станциях поддерживали непрерывный контакт со спутниками в течение всего времени измерений. До начала движения выполняют инициализацию — разрешение неоднозначности фазовых измерений.

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.

Режим «Cтой-иди» — такая разновидность кинематического режима, когда передвижную станцию перемещают с точки на точку, делая на каждой точке остановку и выполняя для повышения точности несколько эпох измерений в течение 5−30 с. Используются фазовые измерения от четырёх или более спутников, общих для ровера и базы. Для достижения точности на уровне сантиметра сначала нужно инициализировать измерения с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. Инициализация обычно выполняется установкой антенн базы и ровера на жесткую штангу (искусственную базовую линию).

Съемка с использованием геодезических спутниковых приемников выполняется в три этапа:

· подготовительные работы;

· создание геодезического съемочного обоснования;

· съемка.

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.

Определение координат пунктов геодезического съемочного обоснования производится методом статических спутниковых наблюдений. Один из приемников, называемый базовым, устанавливают на штативе над исходной точкой с известными координатами (пункт государственной геодезической сети, геодезической сети сгущения), а второй, называемый мобильным, — поочередно на пункты съемочной сети. При этом должно быть обеспечено условие синхронных измерений базовым и мобильным приемниками. Время наблюдений выбирается в зависимости от длин базовых линий, количества одновременно наблюдаемых спутников, класса используемой спутниковой аппаратуры и условий наблюдений. С учетом всех перечисленных факторов время измерения каждой базовой линии может составлять от 15 — 20 минут до 2,5 — 3 часов. Работа с каждым приемником на станции включает: центрирование приемника над пунктом с помощью нитяного или оптического отвеса, измерение высоты антенны с помощью секционной рейки, включение приемника. При измерении в статическом режиме во время работы не требуется производить каких-либо действий. Приемник автоматически тестируется, отыскивает и захватывает все доступные спутники, производит GPS-измерения и заносит в память всю информацию. По истечении необходимого времени наблюдений мобильный приемник переносят на следующую определяемую точку. После окончания измерений производят обработку полученных результатов, которая включает вычисление длин базовых линий и координат пунктов обоснования в системе координат WGS-84, строгое уравнивание сети по методу наименьших квадратов, трансформирование уравненных координат в государственную или местную (условную) систему координат.

Съемка местности выполняется посредством проведения кинематических спутниковых измерений, позволяющих получать координаты и высоты точек за короткие промежутки времени. Для этого базовый приемник на штативе устанавливается на пункте съемочного обоснования, а мобильный — поочередно на снимаемые точки, причем приемник вместе с источником питания могут располагаться в специальном рюкзаке, а приемная антенна и контроллер, с помощью которого осуществляется управление процессом съемки, крепятся на вехе. Вначале выполняется инициализация — привязка мобильной станции к базовой, для чего измерения на первой точке проводят несколько дольше (20 — 30 с), чем на последующих точках. Установив веху с антенной на точку и задав в контроллере все необходимые параметры (высоту установки антенны на вехе, номер пикета, его признак, например: угол забора, смотровой колодец и т. п.), начинают съемку, контролируя вертикальность вехи по пузырьку круглого уровня. Время наблюдения на точке обычно не превышает 5— 10 с, после чего измерения останавливают и, не выключая приемника, переходят на следующую точку. В случае, если снимаемая точка располагается в непосредственной близости от строения, высоких деревьев, других объектов, закрывающих видимость на спутники, время измерений должно быть увеличено. Кроме того, измерения на такие точки можно повторить, вернувшись на них еще раз. Завершают съемку участка наблюдениями на первой точке либо на пункте с известными координатами. После завершения съемки производят обработку результатов так же, как и в случае статических измерений.

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.

Заключение

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.

Определение полного числа циклов несущей (длин волн) между антенной и спутником называется разрешением неоднозначности — поиском целого значения числа длин волн. Для измерений в режиме с постобработкой (РР), который используется для определения местоположения с точностью на уровне сантиметра, это целое значение определяется во время обработки на компьютере. Для измерений в реальном времени, которые используются для определения местоположения с точностью на уровне сантиметра, это целое значение определяется в течение процесса называемого инициализацией.

Для геодезических GPS измерений необходимо одновременное наблюдение одних и тех же четырёх (или более) спутников, по крайней мере, двумя GPS приёмниками: базовый приёмник и приёмник — ровер (хотя можно использовать и более двух приёмников).

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

1. Автоматизированные информационные технологии в банковской деятельности / Под ред. проф. Г. А. Титоренко. — М.: Финстатинформ, 1997.

2. Антонов А. В. Системный анализ. Методология. Построение модели: Учеб. пособие. — Обнинс: ИАТЭ, 2001. — 272 с.

3. Берлянт А. М. Картография: Учебник для вузов. — М.: Аспект Пресс, 2001. — 336 с.

4. Волова В. Н. Методы формализованного представления систем/ В. Н. Волова, А. А. Денисов, Ф. Е. Темнигов. — СПб.: СПбГТУ, 1993. — 108 с.

5. Волова В. Н. Основы теории систем и системного анализа/ В. Н. Волова, А. А. Денисов. — СПб.: СПбГТУ, 1997. — 510 с.

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

7. Географическое обоснование экологических экспертиз. — М., 1985.

8. Емельянов, А. Г. Теоретические основы комплексного географического прогнозирования. — Калинин, 1992.

9. Звонарев К. А. Картография. — М.- Л. 1991.

10. Глебова Н. ГИС для управления городами и территориями // ArcReview, 2006. — № 3(38).

11. Гасаров Д. В. Интеллетальные информационные системы. — М.: Высш. ш., 2003. — 431 с.

12. Дьяченко Н. В. Использование ГИС-технологий в решении задач управления. — М., 2006.

13. Дегтярев Ю. И. Системный анализ и исследования операций. — М.: Высш. ш., 1996. — 335 с.

14. Дьяченко Н. В. Опыт разработки информационно-аналитических систем поддержки принятия управленческих решений — М.: Проспект, 2009.

15. Еремченко Е. Новый подход к созданию ГИС для небольших муниципальных образований // ArcReview, 2005. — № 2(32).

16. Красовская О., Скатерщиков С., Тясто С., Хмелефа Д. ГИС в системе территориального планирования и управления территорией // ArcReview, 2003. — № 3 (38).

17. Меньов А. В. Теоретичесие основы автоматизированного управления: Учеб. пособие. — М.: МГУП, 2002. — 176 с.

18. Острейовский В. А. Современные информационные технологии экономистам: Учеб. пособие. Ч. 1.

Введение

в автоматизированные информационные технологии. — Ср т: СрГУ, 2000. — 72 с.

19. Острейовский В. А. Автоматизированные информационные системы в экономике: Учеб. пособие. — Ср т: СрГУ, 2000. — 165 с.

20. Томилин В. В., Нориевская Г. М. Использование ГИС в муниципальном управлении // Практика муниципального управления, 2007. — № 7.