Geodeziya_1_chastina_26-09-2011

531

L1 і L2. Дані Р-коду отримуються з несучих хвиль шляхом кореляції з точною його копією, яка генерується у приймачі.

У1984 році було закінчено розробку Р-кодового приймача ТІ-4100 для виконання геодезичної зйомки, визначення місцеположення, а також для навігації. Цей приймач створювався переважно для військового використання, а не для цивільного, тому при його створенні могли застосовуватися тільки військові розробки. Виробники цивільних приймачів уперше змогли розпочати працю над Р-кодом приблизно у 1989–1990 рр. Восени 1991 р. Федеральна геодезична контрольна комісія закінчила випробування нового Р-кодового приймача. Цей тест показав дві важливі переваги Р-кодових приймачів. По-перше, точність визначення великих за довжиною векторів (100 км) стала дорівнювати кільком сантиметрам. По-друге, застосування методу лінійної комбінації величин фаз несучих хвиль на ча-

стотах L1 та L2, які називають wide-laning (широкосмугові, довгохвільові), дає можливість обчислити вектори середньої довжини (20 км) із тією ж точністю, але за даними відносно короткого десятихвилинного сеансу спостережень.

УY-кодових приймачах забезпечується доступність Р- коду навіть за умови ввімкнення А-S. Отже, за допомогою

методу кореляції Р-коду із сигналів на частотах L1 та L2 можна отримати вимірювання кодових відстаней та фаз. Доступ до Р-коду досягається шляхом підключення додаткової інтегральної мікросхеми (АОС) на виході кожного каналу. Ці мікросхеми дозволяють дешифрувати Y-код у Р-код, а також виправляти маніпуляції, внесені застосуванням SА. Однак доступ до АОС мають лише користувачі, уповноважені МО США.

1.6.Способи спостережень

532

Складна структура сигналу, який передається від ШСЗ до приймача, зумовила існування багатьох способів його обробки і спостережень.

Кодові спостереження реалізуються в найбільш простих за конструкцією GPS-приймачах. Із прийнятого із супутника сигналу частоти L1 виокремлюється С/А-код (тоді приймач називається одночастотним) або із частотних сигналів L1 і L2 виокремлюється Р-код (двочастотний приймач). Здійснюється порівняння відповідного коду з еталонним кодом, який генерує сам приймач. Точність визначення координат при цьому складає:

для одночастотного L1 приймача – 100 м;

для двочастотного (L1, L2) приймача – 16 м.

Значення точності наведені для несприятливого режиму вимірювань, коли застосовується режим обмеженого доступу SА.

Фазові спостереження виконуються для підвищення точності вимірювань. У цьому випадку при порівнянні прийнятого зі супутника сигналу і його еталону, що генерується у приймачу, враховується не тільки код, але й фаза несучої частоти (L1 або L2). Оскільки період несучої частоти в сотні (для Р-коду) і тисячі (для С/А-коду) разів менше від періодів кодових послідовностей, точність процедури порівняння значно підвищується, а отже, підвищується точність вимірювання координат. Але у цьому випадку виникає проблема цілочислової фазової неоднозначності, оскільки відсутня інформація про кількість цілих періодів інформаційного сигналу на шляху ШСЗ – приймач. Безпосередньо можна виміряти тільки дробову частку фазової затримки сигналу (в межах одного періоду). Для розв’язання цієї проблеми використовують кілька способів:

класичний двоетапний метод вимірювань, який передбачає на першому етапі виконання великої кількості

533

надлишкових вимірювань, а на другому – статистичний аналіз отриманих даних і визначення найбільш імовірного значення фазової неоднозначності;

модифікація класичного методу, яка різниться тим, що при обробці результатів вимірювань здійснюється поетапна кальманівська фільтрація і обирається група фільтрів Кальмана з оптимальними властивостями;

метод заміни антен, коли спостереження виконуються двома різними приймачами на двох пунктах в дві різні епохи. При вимірюваннях у другу епоху здійснюється заміна антен приймачів;

метод визначення неоднозначності «на шляху», коли для визначення цілої кількості періодів використовують лінійні комбінації сигналів L1 і L2 (суми і різниці).

1.6.1. Джерела похибок

На точність визначення координат суттєво впливають помилки, що виникають при виконанні вимірювань. Природа цих помилок різна.

1.Неточне визначення часу. При всій точності часових еталонів ШСЗ існує деяка похибка шкали часу апаратури супутника. Вона призводить до виникнення систематичної помилки координат – приблизно 0.6 м.

2.Помилки обчислення орбіт. З’являються внаслідок неточностей прогнозу і розрахунку ефемерид супутників, що виконуються в апаратурі приймача. Ця похибка також носить систематичний характер і призводить до помилки вимірювання координат біля 0.6 м.

3.Інструментальна помилка приймача. Зумовлена, перш за все, наявністю шумів в електронному тракті приймача. Відношення сигнал/шум приймача визначає точність процедури порівняння прийнятого від ЩСЗ і опорного сигналів, тобто похибку обчислення псевдовіддаленості. Наяв-

534

ність даної похибки призводить до виникнення координатної помилки до 1.2 м.

4.Великий шлях розповсюдження сигналу. З’являється в результаті вторинного відбиття сигналу від великих перешкод, розташованих у безпосередньої близькості від приймача. При цьому виникає явище інтерференції, і виміряна відстань стає більшою від дійсної її величини. Аналітично дану похибку оцінити достатньо тяжко, а найкращим способом боротьби з нею вважається раціональне розміщення антени приймача відносно перешкод. У результаті впливу цього фактору помилка визначення псевдовіддаленості може збільшиться на 2.0 м.

5.Іоносферні затримки сигналу. Іоносфера – іонізований атмосферний шар у діапазоні 50–500 км, який містить вільні електрони. Наявність цих електронів викликає затримку розповсюдження сигналу супутника, яка прямо пропорційна квадрату частоти радіосигналу. Для компенсації виникаючої при цьому помилки визначення псевдовіддаленості використовується метод двочастотних вимірювань

на частотах L1 і L2 (у двочастотних приймачах). Лінійні комбінації двочастотних вимірювань не містять іоносферних похибок першого порядку. Крім того, для часткової компенсації цієї похибки може бути використана модель корекції, яка аналітично розраховується з використанням інформації, що міститься в навігаційному повідомленні. При цьому величина остаточної немодульованої іоносферної затримки може викликати похибку визначення псевдовіддаленості майже 10 м.

6.Тропосферні затримки сигналу. Тропосфера – найбільш нижній від земної поверхні шар атмосфери (до висоти 8–13 км). Вона також зумовлює затримку розповсюдження радіосигналу від супутника. Величина затримки залежить від метеопараметрів (тиску, температури, вологості тощо), а також від висоти супутника над горизонтом. Компенсація

535

тропосферних затримок здійснюється шляхом розрахунку математичної моделі цього шару атмосфери. Необхідні для цього коефіцієнти містяться в навігаційному повідомленні. Тропосферні затримки викликають помилки вимірювання псевдовіддаленостей в 1 м.

7. Геометричне розташування супутників. При обчисленні сумарної помилки необхідно враховувати взаємне розташування споживача і супутників робочого сузір’я. Для цього вводиться спеціальний коефіцієнт геометричного погіршення точності РDОР (Position Dilution Of Precision),

на який необхідно помножити всі перелічені вище помилки, щоби отримати результуючу помилку. Величина коефіцієнта РDОР залежить від взаємного розташування супутників і приймача. Вона обернено пропорційна об’єму фігури, яка буде створена, якщо провести одиничні вектори від приймача до супутників. Велике значення РDОР свідчить про невдале розташування ШСЗ і великої величини похибки. Типове середнє значення РDОР коливається від 4 до 6.

1.6.2. Диференціальний режим

Найбільш ефективним засобом виключення помилок є диференційний спосіб спостережень DGPS (Differential GPS). Його суть полягає у виконанні вимірювань двома приймачами: один встановлюється в шуканій точці, а другий – у точці з відомими координатами, тобто базовій (контрольній) станції.

Оскільки відстань від ШСЗ до приймачів значно більше відстані між самими приймачами, то вважають, що умови прийому сигналів обома приймачами практично однакові, а отже, величини помилок також збігаються. В режимі DGPS вимірюють не абсолютні координати першого приймача, а його положення відносно базового (вектор бази). Використання диференційного режиму дозволяє прак-

536

тично цілком виключає вплив режиму SA і довести точність кодових вимірювань до десятків сантиметрів, а фазових – до кількох миліметрів. Найкращі показники мають фазові двочастотні приймачі. Вони відрізняються від фазових одночастотних більш високою точністю, більш широким діапазоном виміряних векторів баз, більшою швидкістю і стійкістю вимірювань. Але сучасні технологічні досягнення дозволяють одночастотним фазовим приймачам за характеристиками наближатися до двочастотних.

Однією з особливостей режиму DGPS є необхідність передачі диференційних поправок від базового приймача до шуканого. При цьому розрізняють два методи корегування інформації:

1.Метод корегування координат, коли на станції і в шуканій точці спостерігають одні і ті ж самі ШСЗ, а потім як диференційні поправки з базової станції передають додатки до виміряних у шуканому пункті координат. Недоліком цього методу є те, що приймачі базового і шуканого пунктів повинні працювати за одним робочим сузір’ям. Це незручно, оскільки всі споживачі, які використовують диференційні поправки, теж повинні працювати з одними і тими ж ШСЗ. У цьому випадку не забезпечується найкраще значення РDОР в усіх шуканих пунктах.

2.Метод корегування навігаційних параметрів, при використанні якого на базовій станції визначаються поправки до виміряних параметрів (наприклад, псевдовіддалей) для усіх супутників, які потенційно можуть бути використані споживачами. Ці поправки передаються на шукані пункти, де вже безпосередньо у GPS-приймачі обчислюються поправки до координат. Недоліком цього методу є підвищення складності апаратури споживачів.

Метод DGPS може бути використаний двояко. Якщо необхідно обчислити координати в режимі реального часу, то необхідний надійний радіоканал для передачі диферен-

537

ційних поправок, а до складу GPS-приймача повинен входити радіомодем. Якщо ж передача поправок не виконується, то можна використовувати режим постобробки. У цьому випадку результати вимірювань обох приймачів записується на пристрої пам’яті приймачів (наприклад, магнітні карти), а після припинення вимірювань накопичена інформація опрацьовується спеціальним ПО і обчислюється точне значення вектора бази.

Передача диференційних поправок радіоканалом може виконуватися по виділених частотних лініях, на частотах любительських радіостанцій, по системам супутникового зв’язку, а також із використанням технології передачі цифрових даних на частотах FM-радіостанцій. Причому іноді навіть необов’язково мати GPS-приймач на базовій станції, оскільки в багатьох країнах уже діє розвинута мережа DGPS-станцій, що постійно транслюють поправки на визначену територію.

Для розв’язання різних задач у рамках DGPS-режиму розроблений ряд методів виконання вимірювань. Ці методи відрізняються технологією виконання робіт і точністю обчислення вектора бази.

1.6.3. Статичний метод (Static Positioning)

Назва методу означає, що приймачі не переміщуються впродовж усього інтервалу спостереження. Базовий приймач і приймач із невідомими координатами одночасно виконують спостереження й записують дані протягом 15 хвилин – 3 годин. Така тривалість сесії викликана необхідністю визначення цілочислової неоднозначності фаз на початку сесії. До цього спонукають і помітні зміни з часом конфігурації супутникової системи. Одночастотні приймачі використовуються для вимірювання баз довжиною до 10–15 км, а двочастотні – для баз довжиною більше 15 км (переваги двочастотних приймачів полягають у можливос-

538

ті адекватного моделювання ефекту впливу іоносфери, а також уменшій тривалості спостережень для досягнення заданої точності). Після завершення сеансів спостережень дані, отримані кожним приймачем, уводяться в комп’ютер і опрацьовуються за допомогою спеціальних програм із метою визначення невідомих координат пунктів.

Точність методу при використанні фазових спостережень:

1) для двочастотних приймачів:

А. в плані: 5 мм + 1 мм/км • D;

В. по висоті: 10 мм + 1 мм/км • D; 2) для одночастотних приймачів:

А. в плані: 5 мм + 1 мм/км • D (при D < 10 км); 5 мм + 2 мм/км • D (при D > 10 км);

В. по висоті 10 мм + 2 мм/км • D.

Даний метод використовують для розв’язання задач контролю національних і континентальних геодезичних мереж, моніторингу тектонічних рухів земної поверхні, спостереження за станом дамб, фундаментом атомних електростанцій й інших споруд.

1.6.4. Псевдостатичний метод (Pseudo-Static Positioning)

Цей метод відрізняється від статичного тим, що забезпечує більш високу продуктивність зйомки за рахунок виконання спостережень протягом кількох коротких сесій замість однієї довгої. Один приймач безперервно веде спостереження на базовому пункті. Рухомий приймач після спостережень протягом 5–10 хвилин на шуканому пункті вимикається і переміщується на наступний пункт шуканий пункт, де знову вмикається на 5–10 хвилин. Потім знову вимикається і переміщується на наступний пункт і т. д. Кожний шуканий пункт необхідно відвідати ще раз на 5 хвилин через 1 годину після першого відвідування. Цей метод практично еквівалентний статичному, але замість

539

того, щоб очікувати протягом 1 години зміни конфігурації супутників, спостереження здійснюються впродовж 5 хвилин, а наступні 5 хвилин спостереження виконуються годиною пізніше, коли конфігурація суттєво змінилася. 55 хвилин, що залишилися, можна використовувати для відвідування додаткових невідомих пунктів. Точність отриманих результатів буде на рівні статичного методу. Для спостережень можна використовувати як одночастотні, так і двочастотні приймачі. Метод зручний, коли необхідно протягом короткого часу виконати точне вимірювання координат великої кількості точок. Недолік методу – необхідність точного планування графіка відвідування пунктів.

1.6.5. Швидкостатичний метод (Rapid Static Positioning)

Цей метод дозволяє збільшити продуктивність GPS зйомки. Метод відрізняється від псевдостатичного тим, що достатньо лише одного відвідування шуканих пунктів (протягом 5–10 хвилин – залежно від відстані між опорним і шуканим пунктами). Коли з’явився цей метод, для спостережень спершу використовували лише двочастотні Р- кодові приймачі. Сьогодні деякі одночастотні приймачі можна також застосовувати у швидкостатичному режимі. Під час вимірювання у цьому режимі працюють щонайменше два приймачі. Один – встановлений на пункті з відомими координатами, другий переміщується з пункту в пункт. Під час виконання вимірювання цей метод вимагає оптимальної конфігурації супутників.

1.6.6. Кінематичний метод стій/йди (Stop-and-Go Kinematic Positioning)

Метод дозволяє отримати положення пунктів так само швидко, як і у випадку використання електронного тахеометра при розв’язанні топографічних задач. Метод вимагає виконання короткої процедури ініціалізації з метою визна-

540

чення цілочислових неоднозначностей фаз. Після цього опорний приймач продовжує безперервні спостереження в пункті з відомими координатами, другий приймач перевозиться (у робочому стані) на перший шуканий пункт, де знову здійснюються спостереження протягом 1 хвилини. Потім відвідуються решта шуканих пунктів (лише по 1 разу).

Найбільш розповсюджені такі процедури ініціалізації:

1.Обмін антенами, коли другий приймач знаходиться на «пункті обміну» (знання його координат необов’язкове), взятим на відстані не більше 10 м від опорного; виконується спостереження 4–8 епох, потім приймачі переставляються (без вимкнення), обмінюючись антенами, і спостерігають 4–8 епох (до кількох хвилин), а після цього здійснюється зворотна процедура обміну антенами й виконання спостережень для 4–8 епох.

2.Спостереження другим приймачем протягом 1 хвилини на другому пункті з відомими координатами, причому цей другий пункт може знаходитися на відстані не більше 10 км від опорного пункту;

3.Статичний метод, коли шуканий пункт вибирається на відстані не більше 10 км від опорного пункту, а сеанс спостережень має тривалість не менше 30 хвилин.

Недолік методу полягає в необхідності безперервного спостереження за принаймні 4 супутниками одночасно, і навіть під час руху. Якщо кількість спостережуваних супутників падає до трьох хоча б на мить, необхідно повертатися на останній вдало відвіданий шуканий пункт або знову провести процедуру ініціалізації. Щоби цього уникнути, найкраще забезпечити можливість спостереження одночасно за п’яти й більш супутниками.

Точність методу при використанні фазових спостережень: