Спутниковые системы и технологии сбора информации

7.Применение глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в геодезии. Преимущества и недостатки спутниковых технологий. Принципы функционирования спутниковых радио навигационных систем (СРНС). Три подсистемы СРНС. Спутниковые сигналы GPS. Типы спутниковой аппаратуры и ее выбор для выполнения инженерно-геодезических работ.

ОТВЕТ:

Преимущества спутниковых технологий: 1. Не требуется прямая видимость. 2. Возможно измерение расстояний длиной сотни километров с точностью несколько миллиметров. 3. Возможны круглосуточные межпогодные явления. 4. Требуется соответствующее программное обеспечение и грамотное его использование. 5. Предоставление трех пространственных координат (B, L,H), (X,Y,Z). Недостатки: невозможность получить непосредственно из измерений нормальные высоты с точностью геометрического нивелирования; трудность работы в залесенной местности. Проблемы: получение координат пунктов в местной системе, так как спутниковые технологии предоставляют координаты в общеземной системе координат, связанной с центром Масс земли, а потребителю нужно знать координаты в местной системе. Области применения спутниковых технологий: 1) развитие опорных геодезических сетей; 2) геодезические съемки разного назначения; 3) решение инженерных прикладных задач в геодезии; 4) распространение единой высокоточной шкалы времени; 5) сбор материала для ГИС; 6) кадастры в землеустройстве; 7) навигация (наземная, морская, воздушная); 8) диспетчерские службы. Направления развития спутниковых технологий: 1. Совершенствование работы самих систем и спутников. 2. Разработка теории методов GPS/ГЛОНАСС. 3. Появление специализированных служб. Спутниковые навигационные системы ГЛОНАСС и GPS: 1) Принцип действия (определение координат) – пространственная линейная засечка. Три сферы с радиусами ρ₁, ρ₂, ρ₃ (измеренные расстояния до ИСЗ) пересекаются в двух точках, но из двух решений выбирается одно – правдоподобное. 2) Измерение расстояния – в GPS и ГЛОНАСС реализован односторонний (беззапросный) метод измерения расстояния. Электромагнитный сигнал от спутника проходит в одном направлении. ρ=v∙τ, где v=c+Σ_{ПОПРАВОК} – скорость; τ – время прохождения электромагнитного сигнала от спутника к приемнику. Время можно измерить, если часы спутника и приемника точно синхронизированы. Синхронизация часов (автоматическая) – в лучшем случае до 10^-9 с, она даст погрешность расстояния 30 см. чтобы обеспечит миллиметровый уровень точности измерения ρ, поправка приемника ∆t – в качестве дополнительного неизвестного в системе уравнений связи координат. Вывод: При GPS-измерениях неизвестными являются три пространственных координаты и ∆t – поправка часов приемника. Чтобы определить 4 неизвестных, нужно отнаблюдать как минимум 4 спутника. 3) Структура GPS и ГЛОНАСС. И GPS, и ГЛОНАСС разделяются на 3 подсистемы: а) подсистема космических аппаратов (ПКА): «созвездие» спутников; б) подсистема контроля и управления (ПКУ): следящие станции, контрольная станция и загружающие станции; в) подсистема потребителя (ПП): разнообразные приемники и ПО. ПКА. Оборудование спутника: 1. Радиотехническая аппаратура – для передачи сигналов для измерения расстояний; передачи навигационного сообщения; приема информации от загружающих станций ПКУ; высокостабильный генератор частоты (атомные часы – водородные или цезиевые). 2. Солнечные батареи и аккумулятор. 3. Гироскопическая система ориентировки. 4. Мини - реактивные двигатели. Сигналы, посылаемые со спутника: 1) для измерения расстояний; 2) для передачи навигационного сообщения. Сигнал посылается в цифровой форме (0,1 и т.д.). Дальномерный код представляет собой псевдослучайную последовательность 0 и 1. Он формируется на спутниках и приемниках. ρ=τ∙с – расстояние, измеренное по задержке кодовой последовательности – псевдодальность; τ – сдвиг кодовой последовательности. Принцип измерения расстояния используется в кодовых приемниках. Для передачи кодовой последовательности от спутника к приемнику ее накладывают на несущую частоту. Измерение расстояний по сдвигу фазы несущей частоты выполняется в фазовых приемниках. Существует 2 класса измерений: 1. Кодовые (кодовые приемники); 2. Фазовые (фазовые приемники). Фазовая модуляция – наложение кодового сигнала на несущую частоту. Фазовая модуляция: в момент смены кода с 0 на 1 или наоборот фаза несущего сигнала изменяется на 180º. Кодовый метод – определение псевдодальности от спутника до спутникового приемника по времени прохождения этого пути кодовым сигналом. Фазовый метод – определение дальности от спутника до спутникового приемника по изменению на этом пути фазы несущей волны. Фазовым методом выполняются наиболее точные измерения. Кодовый метод используется для навигации и топографии невысокой точности: от нескольких десятков м до дцм. Псевдодальность – искаженная погрешностями дальность от объекта наблюдения до спутника, отличается от истинной дальности на величину, пропорциональную расхождению шкал времени на спутнике и в приемнике пользователя. Навигационное сообщение: 1) информация о состоянии спутника; 2) поправка часов; 3) бортовые эфемериды, позволяющие вычислить положение спутника в момент наблюдения; 4) альманах – приближенные сведения обо всех спутниках системы. Он нужен для планирования сеансов GPS-наблюдений; 5) прочее. ПКУ. GPS-технологии - орбитальный метод спутниковой геодезии. r=R+ρ, где r – геоцентрические координаты спутника (определяются); R – геоцентрические координаты станции наблюдения; ρ – измерения. Определение r – для прогноза орбит ИСЗ. На определенных станциях: R=r-ρ, где r – прогнозное положение спутника. ПКУ GPS: 1. 1 ведущая станция (Колорадо Спрингс, США) МО: сбор информации и обработка, принятие решений; 2. 5 станций слежения – по всему земному шару, автоматическое отслеживание ρ; 3. 3 загружающие станции – передача информации на борт спутников. Существуют сети слежения без функций управления. Одна из задач: уточнение эфемерид ИСЗ. ПП. 1) антенна; 2) приемник; 3) ПО; 4) прочее. Антенные устройства могут быть встроенные или внешние, двухчастотные (L1, L2) или одночастотные (L1). Для устранения влияния многопутности (многократно отраженный сигнал) используют антенны с металлическим экраном. Фазовый центр антенны – это воображаемая точка, от которой измеряется расстояние. Для исключения погрешности фазового центра антенны ориентируют в одном направлении. Следовательно, для ориентировки антенны указывается положение на север. Измерение высоты антенны – важная операция. Ошибка в высоте антенны практически не выявляется при пост-обработке. Измерение высоты дважды – до и после, в 2 системах измерениях (см и дюймах). Принудительное центрирование выполняется после измерения высоты антенны. Классификация приемных устройств. По способу слежения за сигналами: 1. Одноканальные (последовательного действия); 2. Многоканальные. По виду отлеживаемых спутников: 1) GPS; 2) GPS – ГЛОНАСС; 3) ГЛОНАСС. По видам принимаемых сигналов: 1. кодовые (С/А-код, Р-код); 2. фазовые; 3. кодово-фазовые. По количеству частот: 1) одночастотные (L1); 2) двухчастотные (L1, L2). Наблюдения на двух частотах позволяют исключить ошибку влияния ионосферы. Одночастотные дают хорошую точность только при работе в дифференциальном режиме, на коротких расстояниях (примерно 10 км). По назначению: 1. Навигационные. Точность в лучшем случае 10-15 м, обычно 50-100 м. дифференциальный метод используется при посадке самолетов. 2. Навигационно-топографические. Точность от 10 м до 10 см при расстояниях 50-500 км (дифференциальный режим). 3. Геодезические. Миллиметровая точность для 2 частот при расстояниях несколько тысяч км. Самые дорогие – фазовые двухчастотные. Для получения миллиметровой точности на длинных линиях используется высокоточный приемник, технология наблюдения, ПО и технология обработки, человек.

8.Абсолютный способ определения координат. Понятие псевдодальности и ее уравнение. Тропосферные и ионосферные задержки сигнала от спутников. Засечка по псевдодальностям. Точность абсолютного метода. Геометрические факторы DOP.

ОТВЕТ:

Абсолютный метод. Работает 1 станция – автономное определение координат из решения пространственной линейной засечки по 4 спутникам. Используется в навигации. Сопровождается большим количеством ошибок. Точность координат 5-10 м в лучшем случае, обычно 100-200 м. Навигационное решение по псевдодальности. Пусть t^S – время передачи кодовой последовательности со спутника (показания часов спутника). t_A – показания часов приемника в момент приема кодовой последовательности. r=(t_A-t^S) – задержка кодовой последовательности. ρ=c∙r – псевдодальность. Псевдодальность – дальность, вычисляемая по задержке кодовой последовательности. В показания часов приемника и спутника должна включаться поправка часов. t_AИСТ=t_A+∆t_A, t^S_ИСТ=t^S+∆t^S, где ∆t_A, ∆t^S – поправки часов приемника и спутника. Уравнение псевдодальности: ρ_A^S =(t_Аист-t_ИСТ^S)∙c-c∙(∆t_A-∆t^S)+I_A^S+T_A^S+d_A+d^S+d_A^S+v_ρ, где (t_Аист-t_ИСТ^S)∙c=r_A^S - геометрическая (истинная) дальность; I_A^S - ионосферная задержка; T_A^S - задержка сигнала в тропосфере; d_A, d^S - задержка в цепях аппаратуры; d_A^S - влияние многопутности; v_ρ - случайные погрешности измерений. Пусть - псевдодальность, исправленная поправка, в мм. (1). ∆t^S известна из навигационного сообщения. из основного уравнения спутниковой геодезии. В уравнении (1) 4 неизвестных. x_A, y_A, z_A – геоцентрические координаты пункта; ∆t_A – поправка часов приемника. Для решения нужно выражение для r_A^S привести к линейному виду. Пусть x_A⁰, y_A⁰, z_A⁰ – приближенные координаты пунктов; r_A^S0 – приближенная дальность. x_A=x_A⁰+∆x_A; y_A=y_A⁰+∆y_A; z_A=z_A⁰+∆z_A, где ∆x_A, ∆y_A, ∆z_A – поправки в приближенные координаты. Линейный вид (1): r_A^S=r_A^S0-(e_X∙∆x_A+e_Y∙∆y_A+e_Z∙∆z_A), где e_X, e_Y, e_Z – направляющие cos геоцентрического вектора пункта. , , . Для каждого пункта составляется система как минимум 4 уравнений (1) в линейном виде. Из решения получаются координаты пункта и поправка часов приемника. Геометрический фактор (DOP – понижение точности). Погрешность определения координат зависит от геометрии расположения спутников. =, где σ_X, σ_Y, σ_Z, σ(∆t) – СКП определения координат и поправки часов; σ_ρ – СКП измеренной псевдодальности, GDOP – коэффициент, показывающий, во сколько раз погрешность определения координат и времени превышает погрешность измерения. Чем больше GDOP, тем хуже. GDOP<4 – хорошо; GDOP 5-7 – удовлетворительно; GDOP>7 – плохо. Маска GDOP (DOP) – установка GPS-приемника – ограничения по геометрическому фактору. Варианты GDOP: 1) PDOP – снижение точности местоопределения. , σ_X, σ_Y, σ_Z – погрешность определения пространственных координат; σ_ρ – погрешность измерения расстояния до спутника. 2) TDOP – снижение точности определения времени. , σ(∆t_A), σ(∆t^S) – погрешности часов приемника и спутника. 3) HDOP. , σ_E, σ_N – погрешность определения плановых координат. 4) VDOP – снижение точности по высоте. , σ_Н – погрешность определения высоты. В геодезической практике считается допустимым значения PDOP – 8. PDOP<2-3 – отличное наблюдение, PDOP 5-7 – удовлетворительно.