Усі лекції

інформація про елементи орбіт і прогнозовані координати супутників передається за допомогою трьох завантажуючих станцій на супутники. Існують також додаткові станції стеження, що не входять в систему управління і контролю: Об'єднана міжнародна мережа GPS

під назвою CIGNET (Cooperative International GPS Network), що знаходиться у віданні Національної геодезичної служби (NGS) США, Міжнародна мережа служби GPS для геодинаміки (мережа IGS).

В ГЛОНАСС мережа станцій стеження розташована на території Росії. Станції обладнані радіолокаторами і лазерними віддалемірами, а супутники - відбивачами. Під Москвою розташований Центр управління системою (ЦУС), який включає центральний синхронізатор (ЦС) з водневим стандартом частоти.

Сектор користувача: супутникові приймачі, число яких і модифікації не обмежені, і комплекс обробки вимірювань (“постобробки”).

Режими роботи систем. Глобальні супутникові системи можуть працювати в двох основних режимах, що отримали назву кодовий і фазовий. У кодових вимірюють час розповсюдження кодово-модульованого сигналу від супутника до приймача, а у фазових - зміщення фази коливання несучої частоти за час розповсюдження. Для цих режимів часто використовують інші назви, що характеризують їх з іншого боку: навігаційний, або абсолютних визначень, і геодезичний, або відносний. Кодові вимірювання дають меншу точність, прийнятну у навігації, і при цьому забезпечують безпосереднє отримання самих координат (абсолютних величин). Фазові ж вимірювання дають високу точність, придатну для геодезичної мети, але при цьому отримують не самі координати, а різниці однойменних координат двох (або більш) точок, в яких встановлені одночасно працюючі приймачі.

Іноді в окремий (третій) режим виділяють так званий інтегральний допплерівський рахунок, який здійснюється, по суті, одночасно з режимом фазових вимірювань. Він дозволяє одержувати швидкість зміни відстані до супутника і фіксувати моменти послідовних положень супутника.

Джерела похибок.

Точність GPS – вимірів обумовлена цілим рядом джерел похибок випадкової та систематичної природи. Ці джерела похибок поділяють на три групи пов’язані із:

-сузір’ям супутників;

-зовнішніми умовами;

-GPS – приймачем.

До першої групи відносяться:

-випадкова похибка обумовлена геометрією сузір’я супутників;

-систематична похибка визначення часу атомним годинником GPSсупутника;

-систематична похибка визначення ефемерид і координат супутника.

Природа цих похибок різна.

1.Неточне визначення часу.

При всій точності часових еталонів ШСЗ існує деяка похибка шкали часу апаратури супутника. Вона призводить до виникнення систематичної похибки визначення координат біля 0,6м.

Розбіжність шкал часу і нестабільність бортових генераторів в навігаційних супутниках і апаратурі споживача вносять додаткову похибка в навігаційні визначення. Який би точний не був атомний годинник на супутнику, все ж і у нього є невеликі похибки. Наземні служби стежать за цим годинником і можуть «підвести», тобто звірити їх, якщо виявиться хоча б незначне відхилення. Але навіть при цьому виникають іноді невеликі неточності, які помітно збільшують підсумкові похибки визначення місцеположення. Аналогічно атомним годинникам на супутниках, приймачі на Землі теж можуть дати збій. Комп'ютер приймача може припуститися помилки, округливши результат математичної операції. Електричні перешкоди також можуть привести до помилкової обробцки псевдовипадкових кодів. Зазвичай похибки цього роду бувають або дуже маленькими, або дуже великими. Великі легко визначаються, оскільки вони очевидні. Важче виявити малі відхилення в процесі обчислень. Але і вони можуть привнести декілька часток метра невизначеності в координати місця розташування. Помилки подібного роду усуваються за рахунок синхронізації шкал часу і частот генераторів в навігаційних супутники зусиллями наземного сегмента ГНСС і введенням поправки - додатково визначеної змінної при пошуку навігаційного рішення.

Похибка атомного годинника супутника визначається станціями контрольного сегменту і передається на бортовий комп’ютер супутника. Інформація про цю похибку передається із супутниковим сигналом у виді коефіцієнтів поліному .- поправка годинника (с), - швидкість зміни (с/c), - прискорення зміни (с/c2).

2.Похибка обчислення орбіт.

З’являються в результаті неточностей прогнозу і розрахунку ефемерид супутників, виконуваних в апаратурі приймача.

Ефемериди містять такі основні дані: «вік» ефемеридних даних, початкову епоху ефемерид, шість параметрів орбіти на початкову епоху, швидкість зміни кута нахилу орбіти і зміни прямого сходження вузла, різні поправочні коефіцієнти

Похибка ефемерид та координат супутника таким же чином визначається контрольним сегментом і передається на супутник. Точність передачі координат супутника у реальному часі за супутниковим сигналом складає 2 м, а за остаточними ефемеридами IGS складає 5 см.

Ця похибка також носить систематичний характер і призводить до похибки виміру координат біля 0,6м.

3.Приладова похибка приймача.

Обумовлена, перш за все, наявністю шумів в електронному тракті приймача. Відношення сигнал/шум приймача визначає точність процедури порівняння прийнятого від ШСЗ і опорного сигналів, тобто похибкою обчислення псевдо віддалі. Наявність даної похибки призводить до виникнення координатної похибки порядку 1,2м.

4.Багатошляховість розповсюдження сигналу. З’являється в результаті вторинного відбиття сигналу супутника від крупних перешкод, розташованих в безпосередній близькості від приймача. При цьому виникає явище інтерференції, і виміряна віддаль буде більша за дійсну. Аналітично таку похибку оцінити досить важко, а найкращим способом боротьби з нею вважається раціональне розміщення антени приймача відносно перешкод. В результаті впливу цього фактору похибка визначення псевдо віддалі може збільшуватися на 2,0 м.

5.Іоносферні затримки сигналу. Іоносфера – це іонізований атмосферний шар в діапазоні висот 50-500км., який містить вільні електрони. Наявність цих електронів визиває затримку

Серед критеріїв точності визначення (DOP) розрізняють: GDOP – узагальнення місцеположення та часу; РDOP – місцеположення; ТDOP – часу; НDOP – планових координат; VDOP – висотної компоненти. Найбільш поширеним є критерій GDOP, який може змінюватись у межах від 1 до . Як правило GPS – виміри дозволяється проводити при значенні GDOP у межах 8- ми одиниць.

До другої групи відносяться похибки впливу: іоносфери, тропосфери та додаткового відбиття GPSсигналів.

Іоносфера – це іонізований атмосферний шар у діапазоні висот 50 – 500 км, що містить вільні електрони. Наявність цих електронів викликає затримку поширення сигналу супутника, що прямо пропорційна концентрації електронів і обернено пропорційна квадратові частоти радіосигналу. Часткова компенсації цієї похибки виконується корекцією впливу іоносфери, яка аналітично розраховується за інформацією, що передається у навігаційному повідомленні. При цьому величина залишкової іоносферної затримки може викликати похибку визначення віддалі псевдовіддалі близько 10 м.

Для компенсації цієї похибки у визначенні віддалі між супутником і приймачем використовують двочастотні виміри на частотах L1 і L2. Лінійні комбінації д двочастотних вимірів не містять іоносферних похибок першого порядку.

Тропосферні затримки сигналу. Тропосфера – самий нижній від земної поверхні шар атмосфери (до висоти 8 – 13 км). Вона також обумовлює затримку поширення радіосигналу від супутника. Величина затримки залежить від метеопараметрів (тиску, температури, вологості), а також від висоти супутника над обрієм. Компенсація тропосферних затримок виробляється шляхом розрахунку математичної моделі цього шару атмосфери. Необхідні для цього коефіцієнти утримуються в навігаційному повідомленні. Тропосферні затримки викликають похибки виміру псевдодальностей у 1 м.

Багатошляховість поширення сигналу з'являється в результаті відбиття сигналу супутника від відбиваючих поверхонь (стіни будинків, огорожі, водні поверхні), розташованих безпосередньо біля приймача. При цьому виникає явище інтерференції, яке приводить до видовження псевдовіддалі. Похибки викликані багатошляховості поширення сигналу поділяють на три групи:

-дифузне пряме розсіювання (проходження сигналу повз хаотично розташовані предмети), яке спричиняє похибки псевдовідстаней до

10 м;

-дзеркальне відбиття від близько розташованих від антени поверхонь, що дає похибки визначення псевдовідстаней до 6 м;

-флуктуації дуже низької частоти, звичайно пов’язані з відбивання від

поверхні води, що спричиняє похибки визначення псевдовідстаней до

10м.

Унастановах із проведення GPS вимірів для усунення додаткового відбиття сигналів рекомендують антену приймача розташовувати у місцях із відсутніми відбиваючими поверхнями. Для фільтрування GPS-сигналів відбитих від водних

іпідстилаючих поверхонь, нижню частину антени оснащують спеціальними кільцями, які перешкоджають проходженню цих сигналів. У результаті впливу цього фактора помилка визначення псевдовідстані може збільшитися на 2.0 м.

При диференційних вимірах величина похибки за багатошляховість поширення

сигналів не перевищує 1 см, за умови достатньо тривалого інтервалу спостережень та якісної конфігурації сузір'я супутників [1].

Релятивістські та гравітаційні ефекти теорії відносності впливають на відносний хід часу і розподіл електромагнітних сигналів. До них відносяться ефекти:

-доплера другого порядку, який полягає у впливі швидкості руху двох об’єктів, які є носіями годинників на величину частотного зсуву генерованих ними сигналів. Зростання швидкості руху годинника у

інерціальній системі координат приводить до сповільнення фіксованого ним часу, що вимагає корекції частотного зсуву і синхронізації годинників супутника та приймача.

-гравітаційний зсув частоти, який полягає у впливі різниці гравітаційних потенціалів у місцях розташування носіїв годинників (супутника та приймача) на величину відносного частотного зсуву генерованих сигналів. Збільшення потенціалу гравітаційного поля приводить до сповільнення фіксованого годинником часу, що також вимагає корекції частотного зсуву і синхронізації годинників супутника та приймача.

-обертання використовуваних систем відліку, який полягає у їх впливі на математичну інтерпретацію в рамках загальної теорії відносності результатів частотного зсуву та часової затримки електромагнітних сигналів.

-малого порядку впливу, які полягають у затримці електромагнітних сигналів у гравітаційному полі та інші. Вони також приводять до

зсуву частоти прийнятих сигналів.

Максимальна похибка визначення псевдовіддалей обумовлених релятивістськими та гравітаційними ефектами не перевищує 19 мм. При відносних вимірах ця похибка зменшується до порядку 10 9 . Зсув фундаментальної частоти генерованої годинником на супутнику є приблизно рівний 4,55 10 3 Гц. Відносний зсув частоти годинника приймача є порядку 10

нс. Ці величини є незрівнянно менші від впливу на точність вимірів інших факторів, наприклад тропосферних затримок. Однак врахування цих ефектів виконується програмними засобами опрацювання GPSвимірів.

Інструментальна похибка приймача, обумовлена, наявністю шумів в електронному тракті приймача. Відношення сигнал/шум приймача визначає точність процедури порівняння опорного і прийнятого від ШСЗ сигналів, тобто похибку обчислення псевдовіддалі. Наявність даної помилки може приводити у абсолютному методі до виникнення координатної похибки у межах 1,2 м.

Зсув та варіації фазового центру антени GPS приймача. приводять до похибок визначення псевдовіддалей у межах 1 см. Фазовим центр антени є точкою, від якої відраховується псевдовіддаль до центра антени супутника. Розрізняють, зміщення фазового центру (ексцентриситет) та його варіації відносно осі обертання антени та відлікової точки ARP. Крім цього існує два фазові центри, які відносяться до частот L1 і L2. Вони відповідно мають різні ексцентриситети. Ексцентриситет фазового центру може бути викликаний неточним юстування комплектуючих антени, або непаралельністю осі круглого рівня осі обертання антени. Ексцентриситет фазового центру, є як правило постійною величиною. Причиною зміни його параметрів можуть бути порушення умов експлуатації приймача (сильне струшування) або ремонт антени. Варіації положення фазового центру залежать від геометрії сузір’я видимих супутників та їх висоти над горизонтом. Дослідження варіацій фазового центр, або залежності його положення від висоти супутників над горизонтом виконують за допомогою спеціального робота. Ці дослідження полягають у проведенні безперервних кількагодинних спостережень при послідовному нахиленні антени відносно горизонту, що і забезпечує робот. На основі спостережень розраховують просторову діаграму залежності положення фазового центра відносно середньої висоти супутників над горизонтом. Однак реальне врахування варіацій фазового центра у результати вимірів наразі є проблематичним.

Визначення варіацій фазового центру антени GPS – приймача за допомогою спеціального робота.

В мережі Інтернет за адресою https://www.ngs.noaa.gov/ANTCAL/ є

приведена інформація про параметри ексцентриситету та варіації фазового центру практично усіх марок GPS –антенн. Однак, приведені параметри ексцентриситету є середніми величинами опрацювання декількох антенн кожньої марки. Необхідно зауважити, що ці параметри можуть мати суттєві розбіжності із параметрами ексцентриситету конкретної антени.

Натомість ексцентриситет фазового центру може бути встановлений за спеціально розробленою методикою у польових умовах.

Точність вимірювань сучасними геодезичними супутниковими приймачами залежить від типу приймача і вибраного методу вимірювань. Стандартні показники точності наведені в таблиці 1:

Точність визначення геодезичних висот, як правило, в 1,5 рази нижче точності визначення векторів.

Точність супутникових вимірів забезпечується за нормальних умов спостережень, які повинні відповідати таким вимогам:

1)Мінімальна кількість спостережуваних супутників - 4-5.

2)Значення DOP (Dilution Of Precision) не більше 4 (або інше паспортне значення) на всьому протязі вимірювань.

3)Відсутність невідновлювальних збоїв (перепусток циклів - Cycle Slip) під час прийому супутникових сигналів на всьому протязі вимірювань.

4)Мінімальний кут піднесення спостережуваних супутників над горизонтом - не менше 15°.

5)Відсутність перешкод що перешкоджають прийому сигналу або спотворюють сигнал (багатоколійних).

6)Нормальний атмосферний вплив

Таблиця 1

Використання під час вимірювань більшої кількості одночасно спостережуваних супутників збільшує обсяг вимірювань, що дозволяє підвищити достовірність та надійність визначення векторів.

Значення DOP враховує взаємне геометричне розташування супутників і місця встановлення антени на момент вимірів. Менше значення вказує на гарну геометрію і, отже, гарні умови вимірювань.

Пропуски циклів - втрати у вимірах цілих довжин хвиль фази несучої частоти при тимчасовій втраті захоплення супутників. Завдання опрацювання супутникових вимірів виявити пропуски і виправити їх. Велика кількість невиправлених пропусків може призвести до помилкового визначення векторів.

Сигнали із супутників, що знаходяться при кутах піднесення над горизонтом менше 15°, спотворюються впливом тропосфери.

Багатошляховість впливає на фазові і кодові вимірювання і знижує точність визначення векторів.

МЕТОДИ СУПУТНИКОВИХ ВИМІРЮВАНЬ

Для виконання супутникових вимірювань застосовуються такі методи:

-статичний (Static);

-швидкостатичний (Fast Static, Rapid Static);

-псевдокінематичний (псевдостатичний, реокупація);

-кінематичний.

Статичний метод припускає, що вимірювання виконуються між двома (і більше) нерухомими приймачами тривалий період часу.

Швидкостатичний метод передбачає зменшення часу спостережень (до 5-10 хвилин) у статичному методі за рахунок оптимального використання всіх доступних якісних вимірів при двох частотах. Обов'язковою умовою є використання двочастотних приймачів.

Псевдокінематичний метод передбачає зменшення часу вимірювань у порівнянні зі статичним методом за рахунок спільного використання двох 5-10 хвилинних періодів спостережень, розділених годинним (і більше) інтервалом, з тим щоб змінилося взаємне розташування спостережуваних супутників.

Кінематичний метод передбачає виконання одночасних спостережень між нерухомим (референцним) і мобільним приймачами. Для виконання методу необхідно на першому пункті виконати так звану ініціалізацію (рішення неоднозначності) і при переміщенні мобільних приймачів між пунктами необхідно підтримувати постійне захоплення 4-5 супутників. При втраті захоплення повторюється процедура ініціалізації.

Метод має два різновиди: так звані Stop & Go ( "Стій-Іди", "Зупинка-Переїзд") кінематика і кінематика в режимі реального часу (Real-Time Kinematic - RTK).

Stop & Go кінематика передбачає фіксацію антени мобільного приймача на визначених пунктах для виконання вимірювань протягом близько 1 хвилини.

RTK аналогічна Stop & Go кінематиці за технологією виконання польових робіт, але різниться за технології обробки. RTK заснована на передачі поправок до вимірювання псевдовідстаней від референцного приймача до мобільного через пристрій зв'язку (радіомодем). При спільному опрацюванні вимірювань референцного та мобільного приймачів визначаються координати пункту, на якому встановлено мобільний приймач. Результати, на відміну від інших методів, видаються негайно після виконання вимірювань.

Метод RTK

Суть RTK GNSS методу полягає в прийомі супутникового сигналу одночасно рухомим ровером в точці, і базовою станцією в відомій статичній точці. База фіксує різницю в обчислених і фактичних даних і передає RTK поправку на ровер. Ви можете придбати і встановити власну базу - GNSS приймач і отримувати RTK поправки на ровер від неї безкоштовно і без обмежень у часі.

Якщо ви не плануєте встановлювати власну базову станцію, то є альтернативне ефективне рішення - підключення GNSS RTK приймачів до сигналу RTK від мережі базових станцій. Ви можете оформити підписку RTK (прийом RTK поправок на приймач) на різний період: на місяць, три місяці або рік.

Сфери використання GNSS RTK геодезичного комплекту:

-Геодезичні дослідження

-Кадастрові роботи

-Супровід будівництва

-Управління будівельними машинами та іншою технікою

-Лісове господарство

-Комунальне господарство

-Агрономія та сільське господарство

Переваги RTK GNSS

Сантиметрова і навіть субсантиметрова точність Висока швидкість вимірювань без постобробки

Передача поправок може здійснюватися по радіоканалу (опція) або ж з використанням мереж мобільних операторів, якщо роботи виконуються в зоні їх покриття

Здійснювати винос в натуру, використовуючи RTK GPS приймач, простіше, ніж за допомогою тахеометра: вимірювання можна проводити наодинці. Базова станція в процесі роботи не вимагає спостереження, а ровер може віддалятися від бази на велику відстань.

Переваги використання GNSS / RTK мережі

Значне розширення зони позиціонування. Позиціонування можливо по всій зоні покриття мобільної мережі, де приймається GSM / GPRS сигнал, а так само в місцях з можливістю підключення до мережі Інтернет за допомогою інших каналів зв’язку;

Підтримка єдиної міжнародної системи координат. Можливість безпосередньої роботи в будь-який необхідної системі координат;

Виняток грубих помилок вихідних пунктів;

Істотне підвищення точності роботи, визначення координат з сантиметровою точністю в режимі реального часу і міліметрової в режимі післясеансної обробки;

Контроль точності безпосередньо під час виконання вимірювань;

Скорочення витрат на обладнання і часу на навчання. Для роботи не потрібна установка базових приймачів на пунктах з відомими координатами. Досить одного комплекту роверного приймача;

Скорочення витрат на транспорт і персонал. Базові станції не треба встановлювати і охороняти, для роботи достатньо 1го – 2х геодезистів;

Збільшення продуктивності праці. Час на реєстрацію однієї точки – кілька секунд;

Спрощення. Скорочення витрат на навчання. Можливість навчання та супроводу фахівцями компанії;

При роботі в режимі реального часу немає необхідності в постобробці отриманих даних;

Можливість використання додаткових сервісів – постобробка сирих даних RINEX, використання згенерованої віртуальної базової станції при постобробці кінематичних вимірювань (Virtual Reference Station), автоматична обробка даних і оцінка точності на сервері мережі (AutoPP, QC);

Доступність даних 24 години на добу, 7 днів на тиждень;

Можливість комплексного використання мережі;

Краща захищеність від крадіжок і пошкоджень.

Відносні вимірювання

У всіх високоточних додатках з використанням сигналів глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС) використовується принцип відносних вимірювань. Це означає, що з високою точністю визначається не абсолютне положення кожного окремого ГНСС приймача, а прирощення координат (вектори) між парами приймачів. Важливою умовою супутникових відносних вимірювань є факт одночасних спостережень парою приймачів одних