Лекція_5_Супутникові методи визначення координат

пересилають наземним приймачам ефемериди супутників, тобто, інформацію про траєкторію супутників. В ефемериди входять дані про:

1 Систему часу супутників:

•t0e - відносного часу для ефемерид;

•t0c - відносного часу для параметрів хронометра;

•a0, a1, a2 - коефіцієнти поліному рівняння годинника (відхилення, дрейф і

т.п.);

2 Параметри орбіт Кеплера:

•а - корінь квадратний із значення великої півосі;

•е - ексцентриситет;

•і0 - нахил до часу відносності;

•Ω0 - пряме сходження висхідного вузла до часу відносності;

•ω - аргумент перигею;

•М0 - середня аномалія до часу відносності; 3 Параметри збурення орбіт:

•Δn - різниця середнього зміщення і обчисленого значення;

•ΔΩ - зміна прямого сходження;

•Δi - зміна нахилу;

•Сиз, Сис, Сіз, Сіс, Сrз, Сrс - параметри для коригування збурень орбіти. Ці дані передає на наземні приймачі кожний супутник на коді D.

6 Загальний принцип побудови супутникових передавачів системи

GPS

По суті, супутники являють собою платформи, на яких кріпиться апаратура, необхідна для роботи системи. До цього обладнання входять:

1)дві сонячні батареї площею 7м2 для живлення вузлів обладнання;

2)системи реактивних двигунів, з допомогою яких коригують положення супутника на орбіті;

3)передавач супутника, який безперервно випромінює коливання двох

частот L1 та L2.

Ці коливання одночасно є передавальними і вимірювальними. Як передавальні ці коливання використовуються для передачі кодів на наземні станції; одночасно коливання є вимірювальними, оскільки їх використовують для точних фазових вимірювань. Головним вузлом передавача, який синхронізує роботу інших вузлів, є основний високостабільний атомний генератор. Його

також коротко називають хронометром. Він випромінює частоту f0 = 10,23 МГц, стабільність якої досягає 10-12, тобто, є дуже високою. Довжина хвилі цих коливань дорівнює 29,31м. Ці коливання і їх частоту називають стандартними.

Передавальні частоти L1 та L2 формуються завдяки множенню частоти атомного генератора відповідно на 154 і на 120 (рис. 5). При цьому отримують частоти fL1 1575,42 МГц і fL2 1227,60 МГц, які відповідають дециметровому діапазону

хвиль ( L1 = 19,0 см і L2 = 24,4 см).

Коди, які випромінюють передавачі, є послідовностями двійкових сигналів. Всіх кодів є чотири: код D, код С/А, код Р і код V.

21

Рисунок 5 – Спрощена функціональна схема супутникового передавача

Код D (Dаten Соdе) - це закодована у двійковій формі наступна цифрова інформація:

•параметри орбіти супутника;

•час системи супутника;

•скорочена інформація про інші супутники системи.

Уцьому коді за 1 с передається 50 двійкових знаків, тобто, щільність інформації є 50 біт/с. Ця інформація сформована в блоки тривалістю по 30 с. Один блок поділяється на 5 підблоків по 300 біт, а підблок складається із 10 тридцятибітових слів; 24 біти інформаційні та 6 паритетних.

Упершому підблоці є дані для корекції хронометра та для визначення атмосферної поправки.

Упідблоках 2 та 3 приводяться значення ефемерид орбіти супутника . Підблок 4 призначений для спеціальних повідомлень. У підблоці 0 - дані про ефемериди та рівняння хронометрів інших супутників. Ці дані прийнято називати альманахом. Вони дають можливість приймачеві вибирати для спостережень оптимальні супутники. Це супутники, напрямки на які з приймача утворюють кути з горизонтальною площиною не менші, ніж 15°.

Коди Р, С/А і V є випадковими послідовностями 0 і 1 (рис. 6).

Рисунок 6 – Схема одного блоку двійкового коду D тривалістю 30с

22

Ці коди використовують для визначення часу проходження коливаннями шляху від ШСЗ до приймача. Код Р (Рrесіsе Соdе) - точний код. Кожний супутник в проміжок часу в сім діб формує з загального коду свій зразок, який складається з послідовності відрізків різної тривалості загального коду. Тривалість одного зразка коду більша від часу проходження сигналу від супутника до наземного приймача. Кожної суботи опівночі змінюються коди всіх супутників. З цього моменту і починається відлік часу. Для кожного супутника створено 38 зразків коду. Тому через кожні 38 тижнів (266 днів) коди, які випромінюються супутником, повторюються. Код Р має стандартну частоту f0 = 10,23 МГц; в одну секунду в цьому коді формується 10230000 двійкових знаків.

Код V має характеристики, близькі до коду Р. Він призначений в основному для військових цілей.

Код С/A (Соаrsе Ассurасу Соdе) менш точний двійковий код. Його частота в 10 разів менша від стандартної, тобто 1,023 МГц. Він служить для грубого визначення віддалей. Кожний супутник формує свій зразок коду С/А за таким самим принципом, як і код Р.

Код D модулює коди Р і С/А. Після цього модульовані коди змішують з коливаннями L1 та L2.

Таким чином, коди накладають на коливання, а вони переносять коди із супутників до наземних приймачів. Коливання L1 з незмінною фазою змішуються з модульованим кодом Р. На рис. 5 цей складний сигнал позначений D(t) Р(t). З кодом С/А, позначеним D(t) С/А (t) відбувається те саме, що і з кодом Р, але після зміни фази коливання L1 на 90°. Коливання L2 змішуються з немодульованим кодом С/А і з модульованим кодом Р. У результаті на першому коливанні можна прийняти 3 коди, а на другому – тільки код С/А або тільки код Р, або коди Р і D. Коливання із змішувачів подаються на передавальний пристрій з антеною.

7 Структурна схема геодезичного супутникового приймача

Апаратура різних фірм, що виробляють геодезичні супутникові приймачі, різноманітна, але відмінності їх будови, як правило, незначні. Виходячи з цього, є можливість розглянути узагальнену структурну схему GPS-приймача, яка дає можливість розглянути необхідність використання поданих на схемі основних складових приймача, пояснити їх функції та взаємозв'язок (рис. 7).

Вхідною частиною приймача є його антена, яка забезпечує приймання радіосигналів від супутників, що знаходяться в полі зору приймача. Вибраний тип антени та режим її роботи суттєво впливає не тільки на можливість прийняття сигналів від супутників, але й на точність супутникових спостережень. Основними характеристиками антен є: показник перетворення сигналів (коефіцієнт підсилення), який повинен відбуватися з мінімальними енергетичними втратами, та показник направленості антен (коефіцієнт направленої дії). Ідеальною формою фазової діаграми направленості (як і амплітудної) є півсфера , яка забезпечує однакову величину запізнень сигналу , незалежно від напрямку їх приходу. Завдяки такій формі ці запізнення вдається виключити.

23

Рисунок 7 – Узагальнена структурна схема GPS-приймача

Другим, не менш важливим, показником антен є поняття фазового центра, його положення і стабільність в часовому відношенні. 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 центру знака). Під час використання в приймачі антени, симетричної відносно своєї вертикальної осі, положення фазового центра в горизонтальній площині співпадає, 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 в процесі налагодження та калібрування антени).

Ще однією специфікою супутникових антен є їх ігнорування щодо сигналів, відбитих від підстилаючих поверхонь (тобто, до багатошляховості). В якості додаткових дій використовують спеціальні екрануючі металеві диски.

Оскільки радіосигнали від супутника до приймача проходять великі віддалі (біля 20 тисяч км), а потужність встановленого на супутнику передавача відносно невелика (біля 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 багатократне підсилення коливань НВЧ пов'язане з суттєвими технічними ускладненнями, то в супутникових приймачах застосовують супергетеродинний принцип, під час реалізації якого коливання, що приймаються після попереднього підсилення, піддаються перетворенням, в результаті яких суттєво 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,

24

коливання сигналів головного генератора. Основне підсилення сигналів, що приймаються, виконується підсилювачем проміжної частоти (ППЧ), який підключено 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 заснований в системі GPS на так званій структурній селекції. При цьому методі передача 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 приходять радіосигнали від декількох супутників. Завдання приймача – прийняти та виконати селекцію (розділення) сигналів. У геодезичних GPSприймачах ця задача розв'язується введенням в схему приймача певної кількості каналів, залежно від числа супутників, що одночасно приймаються. При цьому кожен канал має опрацьовувати інформацію тільки від одного супутника. Після завершення пошуку проходить захоплення сигналів, яке дозволяє слідкувати за відповідним сигналом протягом всього сеансу спостережень, в якому бере участь «захоплений» супутник. У розділювальному блоці відбувається розділення сигналів на кодові та чисто гармонічні. Від останніх відділяють також навігаційні повідомлення, що надходять від супутника. Два перших сигнали використовуються в блоці процесора для обчислення шуканих 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 в запам'ятовуючий пристрій ЗП.

Кінцеве опрацювання фазових вимірів виконується на стадії «постопрацювання» в камеральних умовах. Блок процесорів, що входить в будову 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, включає клавіатуру та індикаторний дисплей, на якому, за бажанням оператора, можна відображати величини, що визначаються приймачем, а також іншу допоміжну інформацію. Клавіатура дозволяє оператору вводити необхідну інформацію, а також різні команди.

8 Відомості про роботу системи керування та опрацювання вимірів приймачем GPS

Принцип роботи GPS-приймача показує, що в процесі підготування та виконання спостережень виникає необхідність виконання багатьох операцій, пов'язаних з оперативним керуванням роботою різних вузлів приймача. Крім того, в приймачі виконується попереднє опрацювання отриманої інформації. Для реалізації опрацювання до складу приймача включається спеціалізована мікроЕОМ, яка має процесори, таймер, різні запам'ятовуючі пристрої та інші вузли, характерні для обчислювальної техніки. Керування роботою обчислювального комплексу виконується пультом керування та індикації за допомогою програми, що введена в приймач. Розглянемо блок-схему, яка ілюструє принцип

25

послідовних змін стану GPS-приймача, характерних для пошуку, захоплення та відстежування супутникових сигналів (рис. 8).

Після встановлення приймача на пункті встановлюється режим очікування сигналів. Якщо сигнали поступають 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 збору даних про супутник (біля 12,5 хвилин).

Наступний етап – синхронізація режиму роботи генератора кодових сигналів та генератора фазових, гармонічних коливань приймача зі супутниковими сигналами. У результаті такої синхронізації виконується захоплення сигналів від відповідних супутників і подальший збір та реєстрація даних. У подальшому в приймачі підтримується режим відслідковування захоплених сигналів та періодичний набір відліків, що використовуються для обчислення віддалей до супутників та реєстрації точного часу.

Рисунок 8 – Блок-схема послідовності режимів роботи приймача GPS

Отже, одна з функцій GPS-приймача полягає в первинному обрахуванні результатів вимірювання, що базуються на використанні часових запізнень кодових сигналів, що передаються зі супутника та фазових зсувів, що приходять на вхід приймача передавальних коливань.

У відповідності з рівняннями (4) на основі кодових сигналів визначається час проходження електромагнітним випромінюванням віддалі між супутником та приймачем, що дозволяє знайти псевдовіддаль (5), яка включає в собі істинну віддаль та поправочний член, викликаний різницею величин показників годинників на супутнику та в приймачі. Одночасне вимірювання псевдовіддалей до чотирьох супутників та наявних в приймачі даних про координати цих супутників на момент вимірювання дозволяє обчислювальному комплексу приймача, на основі просторової лінійної засічки, визначити координати пункту спостережень з врахуванням поправки за рахунок розходження у величинах

26

годинників супутника та приймача. Точність такого позиціювання з використанням С/А-коду оцінюється з похибкою в межах від 5 до 10м. Для геодезії найбільший інтерес – попереднє опрацювання фазових вимірів, на основі яких в процесі «пост-опрацювання» відкривається можливість отримання високої точності вимірювання (сантиметрової, міліметрової).

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

Через безперервну зміну віддалі до супутника, що пов'язано з його рухом, дані, що реєструються, порівняно швидко змінюються, тому реєстрація відліків виконується досить часто (як правило, через 0,1с). Ці дані в приймачі ущільнюються; в результаті створюються вибірки, інтервал між якими може змінюватися за бажанням оператора (діапазон змін, зазвичай, від 1 до 60 с). Під час ущільнення проходить процес згладжування значень отриманих даних в межах існуючої вибірки (зазвичай, обмежуються поліномами другої степені). Поряд зі згладжуванням в багатьох типах GPS-приймачів передбачена процедура, що отримала назву фільтрації Кальмана. Суть такої процедури, характерної, як правило, для динамічних систем, полягає в систематичному порівнянні отриманих результатів спостережень з наперед розрахованими їх значеннями на основі закономірностей їх зміни з часом. Під час відхилення реальних даних від наперед розрахованих норм виконується їх відбракування.

Під час спостережень, що виконуються за допомогою одного приймача, не вдається виключити з результатів фазового вимірювання цілий ряд похибок систематичного характеру і, тим самим, надійно розв'язати властиву фазовим вимірам 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 в передбачені в приймачі пристрої пам'яті з метою їх використання в процесі кінцевого опрацювання. Використовується аналогічна інформація від інших, одночасно працюючих приймачів. Окрім опрацювання кодових фазових даних в обчислювальних комплексах виконується опрацювання іншої інформації, яка передається із супутника в складі навігаційної інформації, а також тієї, що подається з клавіатури безпосередньо від оператора.

Контрольні питання

1Принцип роботи систем визначення просторового положення точок.

2Глобальні системи позиціонування.

3Псевдовіддалі.

4Переваги супутникової геодезії перед наземною геодезією.

5Найважливіші відомості про будову глобальних навігаційних систем.

6Космічний сегмент GPS.

7Сегмент керування GPS.

8Сегмент користувача GPS.

9Одночастотні приймачі з малим енергоспоживанням.

27

10Швидкодіючі мультиплексні олночастотні приймачі.

11Двочастотні приймачі послідовного типу.

12Приймачі паралельного (безперервного) стеження.

13Основи теорії визначення положення пунктів глобальними супутниковими системами.

14Кодові визначення положення пунктів глобальними супутниковими системами.

15Фазові визначення положення пунктів глобальними супутниковими системами.

16Абсолютні та відносні методи супутникового вимірювання.

17Статичні спостереження.

18Кінематичні спостереження.

19Ініціалізація приймачів.

20Основні відомості про параметри орбіт супутників.

21Закони Кеплера для супутників Землі.

22Рівняння руху супутників Землі.

23Орбітальна система координат.

24Загальний принцип побудови супутникових передавачів системи GPS.

25Основний високостабільний атомний генератор.

26Стандартна частота коливань.

27Структурна схема геодезичного супутникового приймача.

28Відомості про роботу системи керування та опрацювання вимірів приймачем GPS.

29Блок-схема послідовності режимів роботи приймача GPS.

30Фільтрація Кальмана.

28

Лекція 5

(частина ІІ)

СУПУТНИКОВІ МЕТОДИ ВИЗНАЧЕННЯ КООРДИНАТ

1Технології GPS-вимірювання.

2Статичний метод визначення координат пунктів.

3Параметри місії, тривалість та довжини векторів під час роботи у статичному режимі.

4Визначення координат методом «стій/йди» («stop and go»).

5Вибір проміжку часу та параметри місії під час спостереження у режимі

«стій/йди» («stop and go»).

6Визначення координат методом «швидкої статики».

7Технологія псевдостатична, псевдокінематична, реокупаційна

(reoccupation).

8Робота у режимі «кінематика».

9Робота у режимі «кінематика у польоті».

10Технологія диференційного DGPS-вимірювання (Differential GPS).

[1, с. 352…363]

1 Технології GPS-вимірювання

Існують абсолютні та відносні методи спостережень за допомогою GPSприймачів. У геодезії використовують тільки відносні методи, які є в десятки разів точнішими, ніж абсолютні. Тому, у подальшому, будемо розглядати тільки відносні (rеlаtіvе) методи.

Спочатку було створено тільки дві відносних технології GPS-вимірювання: статична та кінематична. Здавалось, ці дві технології задовольняють як цивільні, так і військові організації.

Проте, користувачі вимагали підвищення точності результатів вимірювання з одночасним скороченням часу на виконання вимірювання. Це вимагало поліпшення системи GPS, конструювання більш компактних, легких, переносних приймачів з удосконаленим програмним забезпеченням. Останнє, у свою чергу, привело до того, що на основі вищеназваних технологій вимірювання було створено ще декілька, а саме:

1Статичні відносні технології вимірювання (Stаtіс rеlаtіvе роsіtіоnіng).

2Кінематичні відносні технології вимірювання (Сіnеmаtіс rеlаtіvе роsіtіоnіng).

3Напів-кінематична відносна технологія (sеmі-сіnеmаtіс rеlаtіvе роsіtіоnіng) (технологія «стій/йди» – technology: «stор апd go»).

4Технологія псевдостатична, псевдокінематична, відносна реокупаційна

(pseudo-static, pseudo-сіnеmаtіс rеlаtіvе роsіtіоnіng, іntеrmіttеnt static роsіtіоnіng, rеоссuраtіоn).

5Технологія швидка статична відносна (fаst/rаріd static rеlаtіvе роsіtіоnіng).

6Диференційні GPS-технології (diffеrential GPS-DGPS).

Одним із найбільш важливих параметрів, які визначають режим роботи приймача, є файл конфігурації місії. Він може бути різним в залежності від особливостей шести вищеназваних технологій вимірювання. Для побудови

29

супутникових геодезичних мереж (далі СГМ) та топографічного знімання існує відповідно два основних режими роботи: статичний режим – для СГМ та режим знімання «стій/йди» – для знімання. Назва «статичний» походить від статичного збирання інформації на пункті протягом певного проміжку часу. Мінімально два приймачі виконують спостереження тих самих супутників протягом однієї або декількох сесій спостережень (по декілька годин кожен день) і залишаються стаціонарно на тих самих пунктах.

Для відносних кінематичних технологій один приймач установлюють стаціонарно, на точці з відомими координатами, а другий – на рухомому об'єкті. Це типова навігаційна технологія. У ній застосовується так зване положення об'єкта в «реальному часі». Суть цієї технології в тому, що базова (нерухома) станція передає до рухомого приймача поправки, які використовуються ним для уточнення координат рухомої станції.

Технологія дає можливість визначити дискретно (із перервами 1…5с) координати рухомого об'єкта відносно приймача, встановленого стаціонарно. Подібний режим застосовується, наприклад, під час аерознімання. Технологію «стій/йди» називають ще напів-кінематичною. Головна відмінність цієї технології від кінематичної в тому, що під час визначення положення рухомий приймач (роверний) не рухається, як в кінематичній технології, а зупиняється (стоїть) деякий короткий проміжок часу на точці, координати якої визначаються.

Далі розглянемо всі вищезгадані технології супутникових методів визначення координат більш детально.

2 Статичний метод визначення координат пунктів

Статичний метод є основним під час побудови СГМ і застосовується найчастіше. Для статичної технології всі приймачі за весь час спостережень знаходяться на одних і тих самих пунктах. Час виконання спостережень залежить переважно від заданої точності вимірювань та від віддалі між пунктами (довжин векторів).

З багаторічного досвіду різних організацій відомо: 1 Час 30…90 хвилин достатній для локальних сесій;

21…2 дні для пунктів, віднесених до державної, геодинамічної сесії;

34…6 днів для сесій континентальних і основних геодинамічних. Наприклад: для вимірювання геодезичної локальної сесії для довжин

сторін до 15…20 км достатньо виконати спостереження впродовж 1 години, для сесії типу ЕURЕF (Еurореаn Rеfеrеnсе Frаmе), коли якась країна виконує вимірювання до найвищого закладу Західної Європи – сесія проходить 5 днів. Стільки ж часу потрібно, коли виконується компанія геодинамічного вимірювання СЕRGОР (Сеntrаl Еurоре Rеgіоnаl Gеоdynаmісs Рrojесt).

На практиці точність такої технології становить 5мм ± 1мм на 1 км довжини вектора, що визначається. Під час вимірювання статичними методами важливим є підбір відповідних приймачів. Для відстаней між пунктами більше за 100 км потрібно використовувати приймачі із частотами L1 та L2 . На коротких лініях, коли спостерігається достатня кількість супутників, під час хорошої геометрії розташування супутників є можливість отримати високу точність вимірювань під час порівняно невеликої тривалості спостережень. Швидкість

30