111.1.7. Структурна схема геодезичного супутникового приймача

Апаратура різних фірм, що виробляють геодезичні супутникові приймачі, різноманітна, але відмінності їхньої будови, як правило, незначні. Тому можна описати узагальнену структурну схему GPS-приймача, яка дає змогу розглянути необхідність використання поданих на схемі основних складових приймача, пояснити їхні функції та взаємозв'язок.

347

Розділ III

Вхідною частиною приймача є його антена, яка забезпечує приймання радіосигналів від супутників, що перебувають у полі зору приймача. Вибраний тип антени та режим її роботи істотно впливають не тільки на можливість прийняття сигналів від супутників, але й на точність супутникових спосте­режень. Основними характеристиками антен є: показник перетворення сигналів (коефіцієнт підсилення), яке повинно відбуватися з мінімальними енергетич­ними втратами, та показник напрямленості антен (коефіцієнт напрямленої дії). Ідеальною формою фазової діаграми напрямленості (як і амплітудної) є пів­сфера, яка забезпечує однакову величину запізнень сигналу, незалежно від нап­рямку їхнього надходження. Завдяки такій формі ці запізнення вдається виключити.

Другим, не менш важливим, показником антен є поняття фазового центра, його положення і стабільність в часовому аспекті. Під фазовим центром розу­міють таку точку антени, яка не піддається геометричному вимірюванню, від якої відраховуються усі віддалі до супутників, а положення цієї точки "при­в'язується" до положення відповідної точки відносності на пункті спостережень (до геодезичного центра знака). У разі використання у приймачі антени, симетричної відносно своєї вертикальної осі, положення фазового центра в горизонтальній площині збігається, як правило, з положенням згаданої тільки що осі симетрії. Але, що стосується зсуву цього центра по вертикалі, то такий зсув визначається на основі спеціальних досліджень (найчастіше під час налагодження та калібрування антени).

Ще однією специфікою супутникових антен є їхнє ігнорування щодо сигналів, відбитих від підстилаючих поверхонь (тобто до багатошляховості). Як додаткові заходи використовують спеціальні екранувальні металеві диски.

348

Просторові супутникові мережі (основи супутникової геодезії)

Оскільки радіосигнали від супутника до приймача проходять великі від­далі (близько 20 тисяч км), а потужність встановленого на супутнику передавача порівняно невелика (близько 10 Вт), то на вході антени сигнал має надзвичайно малу величину. Тому виникає необхідність його попереднього підсилення за допомогою підсилювача надвисокої частоти НВЧ, який роз­ташовується біля антени. Часто антенний пристрій та НВЧ збирають окремим блоком, який з'єднується з основним блоком приймача порівняно довгим коаксіальним кабелем.

Оскільки багаторазове підсилення коливань НВЧ пов'язане з істотними технічними ускладненнями, то в супутникових приймачах застосовують супер­гетеродинний принцип, під час реалізації якого коливання, що приймаються після попереднього підсилення, піддаються перетворенням, у результаті яких істотно знижується частота передавальних коливань до декількох десятків мегагерц. Створену проміжну частоту ще називають частотою биття. Роль гетеродина виконує високостабільний головний генератор, що входить до складу приймача. Необхідна для роботи приймача сітка частот формується синтезатором частот, який використовує як вихідні коливання сигналів головного генератора. Основне підсилення сигналів, що приймаються, вико­нується підсилювачем проміжної частоти (ППЧ), який під'єднано до виходу перетворювача частот. Безпосередньо з виходом ППЧ з'єднаний блок пошуку та захоплення, а також вимірювальний блок. Принцип дії системи пошуку сигналів від потрібного нам супутника оснований в системі GPS на так званій структурній селекції. При цьому методі передавання сигналів від різних супутників виконується на одній і тій самій передавальній частоті, а розріз­няють їх за структурою кодових сигналів. Тому такий метод ще називають кодовим.

Важливою особливістю приймача є те, що на вхід приймача одночасно надходять радіосигнали від декількох супутників. Завдання приймача - прий­няти та виконати селекцію (розділення) сигналів. У геодезичних GPS-приймачах ця задача розв'язується введенням у схему приймача певної кіль­кості каналів, залежно від кількості супутників, що одночасно приймаються. Кожен канал повинен опрацьовувати інформацію тільки від одного супутника. Після закінчення пошуку відбувається захоплення сигналів, яке дає змогу стежити за відповідним сигналом упродовж усього сеансу спостережень, в якому бере участь "захоплений" супутник. У розділювальному блоці відбувається розділення сигналів на кодові та суто гармонічні. Від останніх відрізняють також навігаційні повідомлення, що надходять від супутника. Два перші сигнали використовуються у блоці процесора для обчислення шуканих

349

Розділ III

віддалей до супутника. На основі отриманих значень псевдовіддалей вико­нується грубе визначення координат. Фазові вимірювання в приймачі опрацьовуються тільки попередньо. Вони згладжуються та групуються і передаються у запам'ятовувальний пристрій ЗП.

Кінцеве опрацювання фазових вимірів виконується на стадії "посто-працювання" в камеральних умовах. Блок процесорів, що входить до приймача, крім попередніх обчислень, керує роботою приймача в автоматичному режимі на основі закладеного в ньому програмного забезпечення.

Пульт керування та індикації, показаний на структурній схемі, містить клавіатуру та індикаторний дисплей, на якому, за бажанням оператора, можна відображати величини, що визначаються приймачем, а також іншу допоміжну інформацію. Клавіатура дає змогу оператору вводити необхідну інформацію, а також різні команди.

///. 1.8. Короткі відомості про роботу системи керування та опрацювання вимірів приймачем GPS

Описаний вище принцип роботи GPS-приймача показує, що під час підготування та виконання спостережень виникає необхідність виконання ба­гатьох операцій, пов'язаних з оперативним керуванням роботою різних вузлів приймача. Крім того, у приймачі виконується попереднє опрацювання отри­маної інформації. Для реалізації опрацювання у складі приймача є спе­ціалізована мікро-ЕОМ, яка має процесори, таймер, різні запам'ятовувальні пристрої та інші вузли, характерні для обчислювальної техніки. Керують роботою обчислювального комплексу пультом керування та індикації за допо­могою програми, що введена у приймач. Розглянемо блок-схему, яка ілюструє принцип послідовної зміни станів GPS-приймача, характерних для пошуку, захоплення та відстежування супутникових сигналів.

Після розміщення приймача на пункті встановлюється режим очікування сигналів. Якщо сигнали надходять і в пам'яті приймача є альманах супутників, тоді виконується попереднє обчислення положення вибраного супутника. Якщо альманах в пам'яті відсутній, тоді витрачається додатковий час на режим збирання даних про супутник (близько 12,5 хвилини).

Наступний етап - синхронізація режиму роботи генератора кодових сиг­налів та генератора фазових, гармонічних коливань приймача із супутниковими сигналами. У результаті такої синхронізації виконується захоплення сигналів від відповідних супутників і подальше збирання та реєстрація даних. Надалі у приймачі підтримується режим відстеження захоплених сигналів та періо­дичний набір відліків, що використовуються для обчислення віддалей до супутників та реєстрації точного часу.

350

Просторові супутникові мережі (основи супутникової геодезії)

Як уже зазначалось, одна із функцій GPS-приймача полягає в первинному визначенні результатів вимірювання, які ґрунтуються на використанні часових запізнень кодових сигналів, що передаються із супутника, та фазових зсувів, що надходять на вхід приймача передавальних коливань.

Відповідно до (ПІЛ .4) на основі кодових сигналів визначається час проходження електромагнітним випромінюванням віддалі між супутником та приймачем, що дає змогу знайти псевдовіддалі (III. 1.5), до яких входять істинна віддаль та поправковий член, викликаний різницею величин показів годинників на супутнику та у приймачі. Одночасне вимірювання псевдовіддалей до чотирьох супутників та наявних у приймачі даних про координати цих супутників на момент вимірювання дає змогу обчислювальному комплексу приймача на основі просторової лінійної засічки визначити координати пункту спостережень з урахуванням вищезгаданої поправки за рахунок розходження у показах годинників супутника та приймача. Точність такого позиціювання з використанням СІ Л-коду оцінюється з похибкою у межах від 5 до 10 м. Для геодезії найбільший інтерес становить попереднє опрацювання фазових ви­мірювань, на основі яких під час "постопрацювання" забезпечується можли­вість отримання високої точності вимірювання (сантиметрової, міліметрової).

Первинною інформацією під час фазового вимірювання є зареєстрований за допомогою цифрового фазовимірювального пристрою зсув фаз між ко­ливаннями, прийнятими від супутника і сформованими у приймачі головним генератором.

Через безперервну зміну віддалі до супутника, що пов'язано з його рухом, дані, що реєструються, порівняно швидко змінюються, тому відліки реєст­руються доволі часто (як правило, через 0,1 с). Ці дані в приймачі ущіль­нюються; в результаті створюються вибірки, інтервал між якими може

351

Розділ III

змінюватися за бажанням оператора (діапазон змін, зазвичай, від 1 до 60 с). Під час ущільнення відбувається згладжування значень отриманих даних у межах наявної вибірки (зазвичай обмежуються поліномами другого степеня). Поряд зі згладжуванням у багатьох типах GPS-приймачів передбачена процедура, що отримала назву фільтрації Кальмана. Суть такої процедури, характерної, як правило, для динамічних систем, у систематичному порівнянні одержаних результатів спостережень з наперед розрахованими їхніми значеннями на основі закономірностей їхньої зміни з часом. У разі відхилення реальних даних від наперед розрахованих вищевстановлених норм виконується їхнє відбракування.

Зауважимо, що під час спостережень, що виконуються за допомогою одного приймача, не вдається виключити з результатів фазового вимірювання цілу низку похибок систематичного характеру і, тим самим, надійно ком­пенсувати притаманну фазовим вимірюванням неоднозначність. Саме тому не роблять спроб обчислення в одному приймачі кінцевих значень віддалей до супутників на основі фазового вимірювання передавальних коливань.

Тому після відповідних процедур згладжування та фільтрації дані пере­даються у передбачені в приймачі пристрої пам'яті з метою їхнього використання під час остаточного опрацювання. Використовується аналогічна інформація від інших приймачів, що одночасно працюють. Окрім опрацювання кодових фазових даних, в обчислювальних комплексах виконується опрацювання іншої інфор­мації, яка передається із супутника у складі навігаційної інформації, а також тієї, що подається з клавіатури безпосередньо від оператора.

НІ.2. Супутникові методи визначення координат