Glavy_1-7_1

- 49 -

путем измерения разности фаз принимаемого и опорного сигнала на несущей частоте. Первый способ измерения квазидальностей называется кодовый, второй – фазовый.

Кодовые измерения могут выполняться либо по грубому (С\А) коду на одной частоте(L1), либо по точному коду (Р) на одной или двух частотах (L1, L2). На частоте L1=1575.42 МГц одновременно передаются оба кода – С\А и Р; на частоте L2=1227.60 МГц - только код Р. Приемник СНА фиксирует время прихода псевдослучайного кода (PseudoRandom Code) от НИСЗ и вычисляет интервал между этим событием и моментом, когда сам приемник генерировал такой же псевдослучайный код. Этот интервал, будучи умножен на скорость света, определяет псевдодальность до НИСЗ. В этом состоит суть кодового метода измерений.

Фазовые измерения могут выполняться также на одной или двух частотах. Причем точность фазовых измерений принципиально существенно выше кодовых, однако, поскольку псевдодальности при этом могут быть определены только в пределах целого числа длин волн, возникает проблема устранения многозначности фазовых измерений. Известны несколько способов получения дополнительной информации для устранения многозначности, основными из которых являются:

1)измерения приращений псевдодальностей методом замены антенны ;

2)измерения псевдодальностей до избыточных спутников;

3)фазовые измерения на частоте разности несущих.

Для реализации этих способов необходимо, чтобы СНА обеспечивала бы как кодовые, так и фазовые измерения псевдодальностей. Причем измерения должны выполняться и по точному коду,

различной. Следует отметить, что традиционно принято называть дифференциальными методами только такие методы, в которых используется кодовая спутниковая аппаратура. Для дифференциальных измерений не нужна инициализация или непрерывное отслеживание спутников. Результаты обычно обеспечиваю точность координат около 2 м.(95%). Для дифференциальных измерений можно использовать одночастотные или двухчастотные кодовые приёмники.

При использовании фазовой аппаратуры дифференциальные определения координат станции возможно в двух основных режимах: статическом (на неподвижном основании), и кинематическом. При кинематическом режиме определение координат может осуществляться и в реальном масштабе времени. Статический режим допускает реализацию определения координат на этапе окончательной обработки.

- 50 -

При использовании фазовых измерений, связанных с определением полного числа циклов несущей (длин волн) между антенной и спутником, выполняется разрешение неоднозначностипоиск целого значения числа длин волн. Для измерений в режиме с постобработкой, который используется для определения местоположения с точностью на уровне сантиметра, это целое значение определяется во время обработки на компьютере. Для фазовых измерений в реальном времени, которые связанными с мобильным, в том числе и гидрографическим применением, для

измерений необходимо одновременное наблюдение одних и тех же четырёх (или более) спутников, по крайней мере, двумя геодезическими GPS приёмниками. Возможно использовать и более двух приёмников, однако, ограничимся обсуждением использования лишь двух: базов-ый приёмник и приёмник – ровер. Базовый приёмник в течение всего процесса измерений располагается на пункте геодезической основы с известными координатами. Ровер перемещает-ся по определяемым точкам. Результатом объединения данных, полученных этими двумя приёмниками, является пространственный вектор между базой и ровером. Этот вектор называется базовой линией. Для определения положения ровера относительно базы вы можете использовать различные методы измерений. Эти методы отличаются длительностью выполнения измерений. Для измерений в

метода зависит от таких факторов, как конфигурация приёмника, требуемая точность, ограничения по

(Stop&Go) использующая фазовые измерения от четырёх или более спутников, общих для ровера и базы. Для достижения точности на уровне сантиметра сначала нужно вначале инициализировать измерения. Такая инициализация может быть достигнута различными способами. При использовании одночастотных фазовых приёмников измерения инициализиру-ют, устанавливая ровер на пункте с известными координатами, или на определяемой точке, или с помощью специальной штанги для инициализации. Штанга для инициализации задаёт жёсткую искусственную базовую линию.

При использовании для измерений в реальном времени двухчастотных приёмников, установите ровер над определяемой точкой или над пунктом с известными координатами. Если ровер имеет возможность непрерывной инициализации (On-The-Fly =OTF) и в поле зрения антенны имеются, по крайней мере, пять общих спутников, то инициализация происходит и в процессе перемещения ровера. Если для измерений используются двухчастотные приёмники с посто-бработкой, OTF инициализация предпринимается, независимо от того, установлена в приёмни-ке эта возможность или

- 53 -

первичной, так и вторичной обработки информации. При этом на процессор возлагается выполнение части функций радиоприемного устройства.

Первичной операцией, выполняемой после включения СНА и проверки его работоспособности, является выбор рабочего созвездия НИСЗ. При этом учитываются введенные в СНА маски высоты и соотношения сигнал\шум для каждого НИСЗ. Решение этой задачи необходимо для определения радиовидимости всех НИСЗ и выбора рабочих спутников. Следующей операцией, выполняемой в СНА, является расчет данных целеуказания, который необходим для ускоренного поиска сигналов выбранных НИСЗ и ввод в следящий режим измерителей квазидальностей. Расчет производится по данным, принятым в составе спутникового сообщения каждого НИСЗ. По окончании переходных процессов и установления режима слежения начинается процесс измерения псевдодальностей путем определения моментов прихода сигналов НИСЗ относительно шкалы, формируемой опорным генератором СНА. При этом производится исправление измеренных псевдодальностей поправками за влияние ионосферы, тропосферы (атмосферы) и уход часов НИСЗ. Скорректированные псевдодальности поступают для решения навигационной задачи расчета пространственных координат и поправки к шкале времени СНА.

Современные многоканальные СНА, построенные по принципу «all in view», позволяют решать навигационную задачу (пространственную линейную засечку) по всем находящимся в зоне видимости НИСЗ, удовлетворяющим критериям масок высоты и сигнал\шум. При первом включение СНА, как правило, не требуется вводить исходные данные ввиду того, что навигационная задача первоначально решается прямым методом, позволяющим получить грубые координаты местоположения в качестве нулевого приближения. Решение навигационной задачи выполняется методом наименьших квадратов с оценкой точности и достоверности получаемых результатов.

Управление работой СНА, ввод и визуализация вводимых и определяемых данных осуществляется с помощью устройства индикации и управления – клавиатуры и дисплея. Современные СНА кроме навигационной могут решать задачи маршрутной навигации (относительно заданной точки, линии, маршрута), а также предсказания условий радиовидимости НИСЗ. При условии наличия в составе СНА графического монитора или жидкокристалического индикатора (ЖКИ) появляется возможность представления информации в наглядном графическом виде. Интерфейсный блок является обязательной составной частью современной СНА, обеспечивая сопряжение с внешними устройствами – центральным компьютером гидрографического комплекса. Для сопряжения, как правило, используется последовательный интерфейс RS-232/ RS-422.

Современная СНА выпускается в трех вариантах: законченная аппаратура (с органами управления и индикации); аппаратура без органов управления и индикации (черный ящик), способная работать только в комплексе с внешней ЭВМ и одноплатная аппаратура (сенсоры), используемая для встраивания в навигационные (гидрографические) комплексы.

В настоящее время в мире более сотни фирм выпускают промышленную СНА для самых различных областей применения. Классификации СНА может быть осуществлена по следующим признакам:

-по типу используемого кода: грубый С\А- код, точный Р-код;

-по способу измерения псевдодальностей: кодовая, фазовая;

-по числу рабочих частот: одночастотная или двухчастотная;

-по назначению: навигационная, геодезическая, картографическая;

-по типу носителя: стационарная, морская , авиационная, мобильная, носимая, универсальная;

-по числу используемых СРНС: одно-системные или много системные.

-54 -

-по способу приема и обработки сигналов НИСЗ (последовательного действия, последовательнопараллельного действия, параллельного действия)

-по числу рабочих каналов (одно, двух, … пяти канальная и многоканальная).

Примечание: признаки 7 и 8 в настоящее время постепенно утачивают актуальность, ввиду того, что большинство вновь создаваемых СНА строятся по принципу параллельного действия с числом рабочих каналов не менее шести (обычно: 8-12).

СНА для гражданского применения подразделяется на две основные категории в зависимости от метода обработки сигнала:

-кодовые СНА, работающие по С\А коду и использующие информацию, содержащуюся с самом сигнале НИСЗ (псевдослучайный код) для расчета квазидальностит;

-фазовые СНА, использующие тонкую структуру самого сигнала от НИСЗ для расчета псевдодальности.

Кроме того, существует особая категория СНА, работающая по С\А-коду, но способная выполнять ограниченный объем фазовых измеренийобработку фазы несущей частоты сигнала. Точность местоопределения с помощью такой СНА выше, чем точность обычной кодовой аппаратуры, поэтому она представляет наибольший интерес для использования в современной гидрографии. Поскольку любая фазовая СНА может работать в кодовом варианте измерения псевдодальностей, то без применения дифференциального режима обе категории аппаратуры обеспечивают одинаковую точность местоопределения – приблизительно 12 м. СЕР или 29 м. 2DRMS. Ведущими фирмами, выпускающими профессиональную СНА для различных вариантов применения являются: TRIMBLE Navigation (США)- см. приложения 6-10, Thales, Topcon, Javad Positioning Systems (приложения 11-13), Garmin (США), Furuno(Япония), JMC (Япония). В России ведущими фирмами производителями СНА являются: ЭОМЗ, г. Москва (приложение 14), Российский институт

Каждая из указанных фирм выпускает широкий спектр СНА различного назначения, в тоже время, являясь лидером в какой-то одной или нескольких областях. Так фирмы Thales, Topcon, Javad Positioning Systems и РИРВ освоили выпуск комплексной СНА, работающей по сигналам СРНС Навстар-Глонасс, причем производят данную аппаратуру в фазовом одно и двухчастотном варианте для обеспечения высокоточных геодезических работ. Наиболее известной в России является продукция фирмы TRIMBLE Navigation, специализирующейся на изготовлении СНА для СРНС НАВСТАР включая как кодовые, так и фазовые варианты аппаратуры для любых носителей. TRIMBLE Navigation впервые освоил выпуск комбинированной «кодово-фазовых» аппаратуры, которая имеет повышенную («субметровую») точность и находит применения в области картографии, для сбора данных геоинформационных систем (ГИС), а также с успехом может использоваться в гидрографии. Примерами такой аппаратуры являются: Pathfinder ProXR, ProXRS; данная аппаратура с успехом могут быть использована и для целей гидрографии. СНА фирмы TRIMBLE Navigation представлены на рис.7.1

- 55 -

Цифровые регистраторы используются совместно с СНА для оперативной регистрации данных спутниковых определений. Для носимой СНА цифровой регистратор может представлять собой специализированный полевой компьютер, запрограммированный для выполнения необходимых функций. В случае мобильной аппаратуры (например, для катерного промера), в качестве цифрового регистратора может быть использован специализированный полевой портативный компьютер (нотебук). Существует СНА, объединяющая в себе спутниковый приемник-вычислитель и цифровой регистратор. Наиболее наглядным представителем является GeoExplorer CE XT фирмы TRIMBLE. В качестве носимой может быть использована и аппаратура PathFinder Pro XR

- 56 -

(XR/Beacon), (XRS). Все указанные марки СНА обеспечивают возможность обработки фазы несущей. Высокая точность (0.5 м СЕР) обеспечивается только при работе в дифференциальном

Ключевыми особенностями DSM 132 являются:

-простота в настройках и установке;

-прием дифференциальных поправки от MSK маяков, спутникового сервиса, WAAS/EGNOS или от локальной базовой DGPS станции

-встроенный дисплей и клавиатура

-высокая частота выдачи позиции с малой задержкой

-работа в режиме базовой DGPS станции с выдачей данных в формате RTCM SC-104 DGPS СНА Trimble DSM 132 объединяет в одном корпусе приемник GPS сигналов и приемник

дифференциальных поправок от MSK маяков спутниковый сервис Omnistar или Landstar, а также использовать поправки передаваемые системами WAAS и EGNOS. В дополнение к этому приемник позволяет использовать корректирующую информацию, передаваемую локаль-ной DGPS станцией, обеспечивая определение позиции с «субметровой» точностью в реальном масштабе

информации приемник использует два канала, что обеспечивает “бесшовное” переключение между маяками. Встроенный приемник дифференциальных поправок от спутникового сервиса в L- диапазоне, требует оформления специальной подписки на услуги у провайдера. На территории России, возможно, использовать услуги предлагаемые компанией Fugro Omnistar сервис.

Технология Everest™ значительно повышает точность определения позиции при работе в условиях сильной многолучевости в местах, где есть металлические конструкции или другие препятствия,

-58 -

впервую очередь медленно меняющиеся и постоянные погрешности. Погрешности синхронизации НИСЗ практически постоянны в пространстве. Остаточная ионосферная погрешность (после исправления псевдодальностей поправками за влияния ионосферы) также достаточно стабильна. Исследования показали, что изменчивость остаточной погрешности на интервале 1 минута составляет 0.1-0.2 м. (СКП). Тоже относится к тропосферным погрешностям и погрешностям эфемеридной информации . Значительно хуже обстоит дело с шумовыми погрешностями приемников, а также погрешностями за счет многолучевости, которые носят в основном случайный характер. Теоретические исследования и практические эксперименты показывают, что основными составляющими, влияющими на точность местоопределения в дифференциальном режиме могут быть недостаточно скомпенсированные ионосферные ошибки. Расчеты показывают, что точность дифференциального режима в значительной степени зависит от точности измерений псевдодальностей в СНА дифференциальной станции, расстояния между дифференциальной и роверной станциями и пространственного геомерического фактора (PDOP). Последнее в значительной

степени зависит от количества видимых НИСЗ, относительно которых определяются псевдодальности. По этой причине к СНА, используемой в качестве дифференциальной станции предъявляются повышенные требования. Такая СНА должна обеспечить одновременное слежение за всеми видимыми НИСЗ, количество параллельных каналов от 9 до 12, иметь минимальные шумовые погрешности приемника, а также средства борьбы с многолучевостью (как правило, специальная конструкция антенны с защитным экраном).

7.4. Контроль целостности СРНС

Целостностью называется способность системы обеспечивать пользователя своевременными предупреждениями в случае, когда систему нельзя использовать для навигации. Контроль целостности сигналов СРНС (Integrity monitoring) осуществляется посредствам самоконтроля бортовых систем НИСЗ, передаваемой с НИСЗ информации о его «здоровье» (SV health) в составе навигационного сообщения, а также внутренних возможностей СНА (контроль качества принимаемых от НИСЗ сигналов). К сожалению ни один из этих методов не дает гарантии своевременного обнаружения нарушения целостности. Контроль целостности может осуществляться в СНА. В этом случае имеет место операция «автономного контроль целостности в приемнике» (RAIM-Receiver Autonomous Integrity Monitoring). При использовании на борту других систем может осуществляться бортовой автономный контроль целостности (CAIM - Calculated Autonomous Integrity Monitoring) .

Автономный контроль целостности производится на основе обработки избыточных измерений с использованием специально разрабатываемых алгоритмов, имеющих в своей основе методы статистической теории решений. Обычно каждый НИСЗ Навстар передает информацию о своем «здоровье» в составе спутникового сообщения. Когда НИСЗ передал информацию о своей неисправности, СНА не будет обрабатывать информацию от такого спутника. Статус «здоровья» каждого НИСЗ включается в альманах, передаваемый каждым НИСЗ. Информация в альманахе уточняется каждые 12.5 мин. Реализация дифференциального режима и внешнего по отношению к потребителю и НИСЗ контроль целостности осуществляется посредствам создания дифференциальных подсистем. Условно дифференциальные подсистемы подразделяются на зональные (ЗДП), региональные (РДП) и локальные (ЛДП).

Зональные дифференциальные подсистемы создаются в Северной Америке (WAAS),