Лекція_5_Супутникові методи визначення координат

вимірювання та підвищена продуктивність підтримуються достатньо досконалими алгоритмами обробки в програмному забезпеченні SКІ.

Важливим для супутникових спостережень є так званий геометричний фактор. Точність лінійної просторової засічки залежить не тільки від точності лінійного вимірювання, але й від геометрії розташування супутників: від кутів, під якими перетинаються в шуканій точці напрямки із супутників. Величину геометричного фактора часто пов'язують з об'ємом багатогранної фігури, вершини якої співпадають із розташуванням супутників та точками спостережень. Установлено: чим більший об'єм багатогранної фігури, тим менше проявляється вплив геометрії розташування супутників на результативну точність визначення координат пункту. Під час взаємного зближення супутників об'єм цієї фігури зменшується, а вплив геометричного фактора зростає.

Параметр, який оцінює зростання похибок вимірювання через геометрію розташування супутників, отримав назву геометричного фактора, який в сучасних публікаціях прийнято позначати абревіатурою DОР (Dіlutоn оf Рrесіsіоn – зниження точності). Цей параметр використовується як коефіцієнт між точністю визначення координат mрез та точністю вимірювання віддалі до супутників m0.

Найбільш універсальним показником є параметр GDOP – геометричний фактор зниження точності, який характеризує одночасно як точність тривимірного позиціювання, так і часу. Він виражається формулою

де mх, my, mh - середні квадратичні похибки визначення по осях координат; mt - середня квадратична похибка визначення часу;

с - швидкість ЕМХ.

Таким чином, GDOP дозволяє оцінити геометрію супутникового «сузір'я». Маленьке значення GDOP (≤ 8) свідчить про хорошу геометрію. Велике значення GDOP означає, що супутникове «сузір'я» погане. Чим менше GDOP, тим більша ймовірність отримати хороші результати. Значення GDOP, менше за шість, вважається допустимим, а більше за шість – завеликим. Коефіцієнти GDOP відображають лише миттєву геометрію для окремої точки. Ці коефіцієнти обчислюють самі приймачі. Вони ж автоматично вибирають оптимальну конфігурацію супутників. Одночасно з GDOP використовують також РDOP- фактор, що враховує тільки фактор тривимірного позиціювання, без похибок визначення часу, і HDOP – аналогічний фактор, зниження точності вимірювань залежно від розташування супутників в горизонтальній площині; VDOP – у вертикальній.

Для переважної більшості пунктів умови щодо GDOP ≤ 8 виконуються, якщо в полі зору доступні п'ять або більше супутників. Найкраще «вікно» спостережень для «статики» повинно включати в себе чотири і більше

31

супутників з GDOP під час кута відсікання, рівного 15° (вертикальний кут між горизонтом і напрямком на супутник).

Другим фактором, що може викликати значне зниження точності є іоносферне збурення. Іоносферне збурення змінюється в часі і залежить від положення пункту на Земній поверхні. У нічний період доби іоносферні збурення значно менші, ніж в світлий період доби. Тому в нічний період можна зменшити час спостережень наполовину або у два рази збільшити довжину вектора .

Під час вимірювання, яке вимагає найвищої точності, використовують двочастотні приймачі SR-9500 (фірми Lеіса); SNR-8000 або SNR-8100 (фірми Аlеn Оsbоrnе); Z-ХІІ (фірми Аshtеch); 4000 SSI (фірми Тrіmblе).

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

Місія описує спосіб, на основі якого контролер формує виконання знімання. Кожна місія має відповідний файл конфігурації місії, який містить набір параметрів, а саме: координати початкової точки, параметри захоплення супутника, режим роботи, характеристики даних захоплення і умовні позначення ідентифікації точки. Кожний файл конфігурації індивідуально ідентифікується в контролері по шестисимвольному коду місії. Для вимірювання в режимі «статика» використовується місія Stаtіс Suгvеу. Для успішного виконання високоточного GPS-вимірювання потрібно виконувати спостереження під час «хороших вікон». Під «хорошими вікнами» розуміють велику кількість супутників (5…8) та мале значення коефіцієнта GDOP (1…4).

Під час використання статичного режиму роботи використовуються наступні, рекомендовані виробником приймачів GPS, параметри статичної місії.

Тип місії: Stаtіс (Статичний) .

Режим збору даних: Соmрасtеd (Ущільнений). Дискретність запису: 15, 30, 60 секунд. Працездатність / частота L2: АUТО (Автоматичний). Тривалість спостережень залежить від:

•довжини базисної лінії;

•кількості супутників;

•геометричного фактору (GDOP);

•стану атмосфери.

Таблиця 1 є орієнтовним вказівником щодо вибору довжин базисних ліній і тривалості спостережень для середніх широт під час поточного рівня і іоносферної активності та під час використання двочастотного приймача (сенсора).

Таблиця 1 – Орієнтовна тривалість спостережень в статичному режимі

32

4 Визначення координат методом «стій/йди» («stор апd gо»)

Метод «стій/йди» створений на основі статичного методу. Він є найшвидшим для детального топографічного знімання. Застосовується, коли між базовою та мобільною станціями невеликі віддалі. Під час вимірювання технологією «стій/йди» беруть участь щонайменше два приймачі GPS. Найвигіднішим в цій технології є те, що рухомий приймач виконує вимірювання на рядових пунктах (наприклад, пікетах) тільки 1…2 хвилини. В основному витрачається час тільки на переміщення з пункту на пункт, а на пункті «затримуємось» і зразу ж ідемо далі.

Робота в режимі «стій/йди» складається із двох частин:

1)частина ініціалізації, яка необхідна для того, щоб розв'язати початкову неоднозначність під час пост-опрацювання за допомогою програмного забезпечення SКI;

2)мобільна частина, у рамках якої розв'язання неоднозначності вноситься в програмне забезпечення SКI.

Ініціалізація та наступна за нею мобільна частина називаються ланкою режиму «стій/йди».

Головний недолік такої технології в тому, що протягом спостережень усієї мережі пунктів (під час вимірювання на пункті і навіть під час транспортування чи перенесення приладу з пункту на пункт) обов'язковим є зв'язок хоча б із чотирма супутниками GPS. Тому цю технологію неможливо застосувати на територіях із високими забудовами, у лісі. Рух під деревами, мостами перериває вимірювання. Якщо з'являється повідомлення про втрату захоплення сигналів і, у результаті, захоплення складає менше чотирьох супутників, потрібно заново почати ланку спостережень. Тому цей метод можна застосувати тільки на відкритій місцевості, не зарослій і незабудованій.

Ініціалізацію можна виконувати одним із трьох способів:

1Приблизно 25-ти хвилинне статичне вимірювання до вільної бази. Це виконується до початку вимірювання. Мінімум два приймачі виконують статичне вимірювання на двох довільних пунктах, а далі рухомий приймач виконує мобільну частину. Такий спосіб ініціалізації називають ще режим

«швидка статика».

2Встановлення станції на точці з відомими координатами або відомим вектором між двома точками. Виконується вимірювання статично протягом

5…10 хв.

3Статичне вимірювання із заміною антен. Обидва приймачі виконують вимірювання статично протягом 5 хв, а далі в приймачах замінюються антени і продовжуються спостереження ще біля 5 хв. Точність визначення координат точок в режимі «стій/йди» рівна 1…2 см ± 1 ррм.

Метод застосовується для знімання відкритих територій, доріг, трубопроводів та інших споруд лінійного типу. Метод успішно працює для малих віддалей між точками знімання. Він найшвидший і найекономніший; для спостережень потрібно лише 4 супутники, виконується на будь-якому транспорті або пішки. Недоліки – сигнали від чотирьох супутників не повинні перериватися.

33

5 Вибір проміжку часу та параметри місії під час спостереження у режимі «стій/йди» («stор апd gо»)

Для успішного вимірювання в режимі «стій/йди» необхідно працювати в межах вікна з добрим розташуванням супутників. Необхідно вибрати вікно, за можливістю, з максимальною кількістю супутників; чим більше супутників, тим менше втрат захоплення сигналу. Треба намагатися вибрати вікна, у межах яких супутники знаходяться на прийнятих висотах над обрієм; високо розташовані супутники будуть добре прийматись приймачем, отже, буде менше втрат захоплень сигналу (табл. 2)

Таблиця 2 – Вибір вікон для спостережень у режимі «стій/йди»

Під час роботи в режимі «стій/йди» можна використовувати статичну місію STS Dеfаult (Місія статичного знімання за замовчуванням). Проте можна створити спеціальну місію для роботи в режимі «стій/йди» для референцної станції і для мобільної станції. У референцному приймачі повинен бути встановлений режим роботи «статика» (STS), а в мобільному – «стій/йди» (SGS). В обох приймачах повинен бути встановлений ущільнений режим збору даних («СОМРАСТЕD»). Дискретність запису даних повинна бути однакова на обох приймачах. Під час вибору дискретності запису даних варто враховувати ємність записуючих пристроїв на референцній станції, а також тривалість перебування на точці, де встановлений мобільний приймач. У більшості випадків дискретність запису даних вибирають рівною 3, 4 або 5 секунд (табл. 3).

Таблиця 3 – Рекомендовані параметри місії для роботи в режимі «стій/йди»

34

6 Визначення координат методом «швидкої статики»

Статичний метод – це класичний метод GPS-знімання, який використовується на довгих лініях. Спостереження можуть тривати декілька годин.

На коротких лініях, під час нормальних умов для роботи, час спостережень може бути значно зменшеним – до 5…10 хвилин. Звідси термін «швидка статика». Таким чином, для «швидкої статики» час спостережень скорочується до проміжків часу, близьких до методу «стій/йди».

Проте, під час «швидкої статики» мобільна станція залишається на пункті 5…10 хвилин. Потім вона виключається і переміщується на наступну точку. Під час знімання в режимі «стій/йди» мобільна станція залишається включеною, а захоплення супутників обов'язково зберігається також під час переміщення приймача з точки на точку. У цьому суттєва різниця між «швидкою статикою» та методикою «стій/йди».

З іншої точки зору «швидка статика» є різновидністю статичного методу. Для «швидкої статики» особливо необхідно, щоб іоносферні збурення були більш-менш ідентичними для двох точок стояння. Для всіх GPS-вимірювань і, особливо, для «швидкої статики» потрібно намагатися мінімізувати довжини базисних ліній. Для надто короткого часу спостережень, поганого геометричного фактору (GDOP) або інтенсивних іоносферних збурень можлива така ситуація, коли програмне забезпечення під час пост-обробки розв'яже неоднозначність, але результати будуть спотворені і суттєво відрізнятимуться від технічних характеристик приймачів. Під час вимірювання «швидкою статикою», як і в попередніх технологіях, щонайменше працюють два приймачі. Один – встановлений на пункті відносності, другий переміщується з пункту на пункт. Технологія вимагає однократного вимірювання на кожному визначуваному пункті, проте вимірювання за цією технологією потрібно виконувати тільки двочастотними приймачами. Ця технологія запропонована в 1992 році фірмою «Тrimble». Фірма створила відповідну програму, у якій запропоновано новий алгоритм виключення багатозначності під час фазового вимірювання. Суттєвою перевагою цієї технології є швидке визначення неоднозначності під час використання комбінації кодового і фазового вимірювання. Під час виконання вимірювання цей метод вимагає оптимальної конфігурації супутників .

У таблиці 4 подано рекомендовану тривалість спостережень і довжини базисних ліній.

Таблиця 4 – Орієнтовна тривалість і довжина баз для «швидкої статики»

35

7 Технологія псевдостатична, псевдокінематична, реокупаційна (Rеоссuраtіоn)

Ця технологія усуває недоліки методики «стій/йди». Вона базується на подвійному GPS-вимірюванні на кожному пункті, що визначається, не вимагає, як технологія «стій/йди», постійного безперервного зв'язку із супутниками під час транспортування приймачів із пункту на пункт.

Під час вимірювання беруть участь щонайменше два приймачі. Можуть одночасно працювати декілька рухомих приймачів. Тоді потрібно розраховувати маршрути так, щоб усі приймачі переміщались приблизно одночасно, тому що всі рухомі приймачі повинні починати спостереження на нових пунктах (після переміщення) одночасно. Весь маршрут кожний рухомий приймач повинен пройти за 2 години. Вимірювання на кожному пункті триває біля 10…15 хвилин. На останньому пункті маршруту, що визначається, чекаємо 1…2 години на зміну конфігурації супутників і заново виконуємо спостереження GPS на кожному визначуваному пункті (реокупація) в оберненій послідовності. Це подвійне вимірювання на кожному пункті замінює процес ініціалізації. Точність визначення вектора довжиною до 10 км цим методом під час застосування високоточних, двочастотних приймачів є такою: довжина вектора 3 см ± 2·10-6 S, перевищення кінців вектора 4 см ± 22·10-6 S.

Перевага цієї технології в тому, що вона не потребує зв'язку із супутниками під час транспортування приладів; недоліки – необхідність подвійного встановлення приймачів на тих самих пунктах та необхідність одночасного спостереження не менше п'яти супутників.

8 Робота у режимі «кінематика»

Робота в режимі «кінематика» аналогічна до режиму «стій/йди». Вона складається із двох частин:

1Частини ініціалізації, яка необхідна для того, щоб розв'язати початкові неоднозначності під час пост-польової обробки, виконаної за допомогою програмного забезпечення SКІ.

2Мобільної частини, у рамках якої розв'язання неоднозначності вноситься в програмне забезпечення SКІ.

Розбіжностями між режимами «кінематика» і «стій/йди», по-перше, є те, що під час мобільної частини в режимі «стій/йди» вимірювання відносяться тільки до реальних точок на місцевості, а під час мобільної частини в режимі «кінематика» вимірювання відносяться до визначених моментів часу; по-друге, як уже зазначалось, у режимі «кінематика» мобільний приймач рухається безперервно, а в режимі «стій/йди» мобільний приймач зупиняється.

Ініціалізація та наступна за нею мобільна частина називаються ланками режиму «кінематика».

Ініціалізація являє собою необхідний процес. Неоднозначності повинні бути розв'язані в процесі пост-опрацювання за допомогою програмного забезпечення SКІ. Тільки після цього значення знайдених неоднозначностей будуть послідовно передаватися вперед за допомогою SКІ у мобільну частину ланки.

36

Ініціалізація може бути виконана шляхом використання:

1Режиму «швидка статика»;

2Встановленням станції на точці з відомими координатами.

На мобільній ділянці ланки повинно спостерігатися не менше 4 супутників. Якщо кількість супутників менше 4, через утрату захоплення сигналу або розташування супутників, SКІ не може передавати вперед значення неоднозначностей, і ланка буде перервана.

Значення GDOP не повинне перевищувати 8, якщо результати по точності повинні досягати значень, зазначених у технічних характеристиках. Бажано, щоб значення GDOP було рівним або менше 5.

Для досягнення високоточних результатів визначень координат в режимі «кінематика» необхідно виконувати вимірювання в максимально сприятливих вікнах розміщення супутників.

Таблиця 5 – Вибір вікон для спостережень у режимі «кінематика»

9 Робота у режимі «кінематика у польоті»

Визначення координат в режимі «Кінематика в польоті» (КВП) забезпечує отримання траєкторії руху сенсора без необхідності виконання статичної ініціалізації. Сенсор може безперервно рухатись, починаючи з першої епохи спостережень.

Ланка вимірювання в режимі КВП складається тільки з мобільної (рухомої) частини. У цьому режимі може бути досягнутий такий самий рівень точності визначення координат, як і в режимі «кінематика». Для цього необхідно:

•під час першої епохи спостережень захопити не менше 5-ти супутників;

•повинно бути невелике значення коефіцієнта GDOP;

•відсутність пропуску циклів або зникнення сигналу під час перших 200 секунд спостережень в ланці;

•максимальна відстань між референцною і мобільною станціями повинна зберігатись на рівні не менше 5 км.

Значення неоднозначностей будуть передаватись вперед по ланці КВП до того часу, поки будуть спостерігатись не менше 4-х супутників без втрати. Як тільки кількість супутників стане менше 4-х, необхідно буде ще 200 секунд спостережень не менше 5-ти супутників без їх втрати.

37

Програма для опрацювання GPS-вимірювання буде виконувати опрацювання результатів у 2 етапи:

На 1-му етапі неоднозначність буде розв'язуватися після перших 200 секунд реєстрації даних. Після цього вирішені неоднозначності передаються вперед протягом часу спостереження не менше 4-х супутників.

На 2-му етапі вирішені неоднозначності передаються назад на початок ланки, що забезпечує отримання високоточних результатів визначення координат для першої епохи під час руху вперед.

Метод КВП рекомендується застосовувати в тих випадках, коли ініціалізацію в статичних умовах важко виконати, або під час визначення координат із рухомих об'єктів.

Для досягнення високоточних результатів визначень координат в режимі «Кінематика в польоті» необхідно виконувати вимірювання в максимально добрих вікнах розташування супутників, поданих в таблиці 5.

10 Технологія диференційного DGPS-вимірювання (Dіffегеntіаl GРS)

Ця технологія спочатку опиралась тільки на навігаційні кодові вимірювання псевдовіддалей, які виконувалися з розривами в часі. В останні роки в цій технології почали застосовувати також фазові вимірювання й опрацювання вимірів типу «раst-ргосеssing». Суттєвим в цій новітній технології є те, що базова станція передає до рухомого приймача поправки, які використовуються цим приймачем для уточнення свого положення (координат).

Сучасна диференційна технологія передбачає наявність базової станції, яка стаціонарно, цілодобово працює на пункті з високоточновизначеними координатами і визначає певні систематичні похибки. Як раз такі дані, як поправки, передаються до рухомих приймачів. Це дозволяє в реальному часі визначати точні результати (координати) рухомого приймача.

Зауважимо, що під час цього методу користувач може мати тільки один приймач, оскільки роль другого приймача виконує базова, стаціонарна станція.

Для диференційних технологій використовують спеціально обладнані приймачі, які мають підтримувати безперервний зв'язок із базовою станцією. Деякі із цих приймачів, що забезпечують метрову точність визначення координат, мають масу менше 1 кг, а розміри їх такі, що вони поміщаються на долоні.

Точність вимірювання. DGPS, що базується тільки на кодових вимірюваннях, складає 1…2 м. Така точність є достатня для навігаційних цілей, а також для виклику міліції (поліції), швидкої допомоги, пожежників, автотранспорту тощо. На цій засаді працюють також морські та авіаційні системи.

Контрольні питання

1Технології GPS-вимірювання.

2Які методи спостережень за допомогою GPS-приймачів використовують

угеодезії?

3Методи відносної технології GPS-вимірювання.

38

4Статичний метод визначення координат пунктів.

5Від чого залежить час виконання спостережень при використанні статичної технології?

6Геометричний фактор для супутникових спостережень.

7Геометричний фактор зниження точності.

8Геометричний фактор зниження точності розташування в горизонтальній площині.

9Геометричний фактор зниження точності розташування у вертикальній площині.

10Іоносферне збурення.

11Параметри статичної місії.

12Тривалість та довжини векторів під час роботи у статичному режимі.

13Визначення координат методом «стій/йди» («stop and go»).

14Ініціалізація в режимі «стій/йди».

15Мобільна частина в режимі «стій/йди».

16Ланки режиму «стій/йди».

17Способи виконання ініціалізації.

18Застосування методу «стій/йди».

19Недоліки методу «стій/йди».

20Вибір проміжку часу та параметри місії під час спостереження у режимі

«стій/йди» («stop and go»).

21Визначення координат методом «швидкої статики».

22Технологія псевдостатична, псевдокінематична, реокупаційна

(reoccupation).

23Переваги псевдостатичної, псевдокінематичної, реокупаційної технологій.

24Недоліки псевдостатичної, псевдокінематичної, реокупаційної технологій.

25Робота у режимі «кінематика».

26Ланки режиму «кінематика».

27Робота у режимі «кінематика у польоті».

28Застосовування методу «кінематика у польоті».

29Технологія диференційного DGPS-вимірювання (Differential GPS).

30Точність технології диференційного DGPS-вимірювання.

39