4. Содержание и точность спутниковых измерений

В технической литературе наблюдения по C/A-коду обозначаются символами SPS (Standard Positioning Service, стандартная служба позиционирования), а по P-коду – PPS (Precise Positioning Service - служба точного позиционирования).

Для измерения дальностей при спутниковых измерениях используются методы, базирующиеся на использовании кодовых и фазовых измерений.

Кодовые измерения основаны на сравнении 10-разрядных (в системе GPS) или 9-разрядных (в системе ГЛОНАСС) кодов C/A (СТ) и генерируемых по одним и тем же правилам аппаратурой спутника и приемника с включением временных меток [39]. Расстояние между спутником и приемником (псевдодальность) можно получить либо по времени прохождения сигнала, либо по числу кодовых последовательностей и тактов, по формулам

, (10.3, а)

, (10.3, б)

где ( + ) – время прохождения сигнала с учетом несинхронности хода часов спутника и приемника; c – скорость распространения радиоволн в вакууме; N, _П – число кодовых последовательностей и длина кода PRN; m, Ф, _m – целое число тактов, доля такта и длина тактовой волны.

Время прохождения сигнала  определяется по меткам времени, содержащимся в принятой от спутника и сгенерированной приемником псевдослучайной последовательности.

Фазовые измерения основаны на определении целого числа радио­волн N, укладывающихся на расстоянии между спутником и приемником, и измерении фазы N. Тогда расстояние между спутником и приемником

D = (N + N)   + R, (10.4)

где  – длина волны несущей частоты L₁ или L₂; R – суммарная по­прав­ка, учитывающая влияние тропосферы, ионосферы, ошибок эфемерид спутника, несовпадения хода часов спутника и приемника, инструмен­тальных погрешностей, релятивистских эффектов и др.

Точность измерения разностей фаз составляет около 1%, что при длинах волн несущих L₁ и L₂ (G₁, G₂) 20 – 25 см соответствует 2,0 – 2,5 мм и определяет потенциальную точность фазового метода.

Сложность использования уравнения (2.4) заключается в том, что це­лое число радиоволн N не может быть измерено и определяется в про­цессе разрешения неоднозначности. Эта задача решается либо с исполь­зованием избыточных фазовых измерений (при приеме сигналов двухчастотным приемником) или по результатам совместной обработки фазовых и кодовых измерений (при приеме сигналов одночастотным приемником) в процессе постобработки.

Погрешности спутниковых измерений обусловлены динамическим характером системы в целом, нестабильностью взаимного положения ее элементов и условиями прохождения сигнала. Точность позиционирования определяется значением геометрического фактора, зависящего от числа и размещения спутников, и качества навигационного сигнала,

Геометрический фактор (ГФ) пред­ставляет собой количественную оценку схемы взаимного расположения на­блюдаемых спутников и устанавливается по эфемеридам этих спутников на момент наблюдений. Приведем значения ГФ, используя английские аб­бревиатуры их названий [47]:

, (10.5)

где DOP (Dilution of Precision) означает «уменьшение точности», а первые буквы подсказывают, точность какого именно неизвестного уменьшается: G – всех составляющих (Geometrical), P – в пространстве (Position), H – в плане (Horizontal), V – по высоте (Vertical), T – во временных задержках (Time).

Чем больше значение ГФ, тем хуже точность, и для ее повышения необходимо увеличить число наблюдаемых спутников. Основным явля­ется фактор PDOP, для которого приняты следующие вербальные оценки:  4 – хорошо, 5 – 7 - удовлетворительно,  7 – плохо.

Качество навигационного сигнала зависит от условий его прохождения через тропосферу и ионосферу, точности содержащейся в нем информации, релятивистских эффектов и пр. (табл. 10.5).

Прогноз эфемерид. Эта погрешность связана с неточностью используемой модели геопотенциала Земли, в частности – влияния гравитационного поля, солнечного давления, движения полюсов Земли и пр.

Эталон времени спутника. Погрешность возникает из-за сдвига частот бортового эталона времени под влиянием релятивистского и гравитационного эффектов.

Таблица 10.5 [8]
Источник погрешностей	Ошибка определения дальности по коду, м
	P	C/A
Прогноз эфемерид	3,5	3,5
Эталон времени спутника	1,7	1,7
Ионосферная рефракция	1,0	4,0
Тропосферная рефракция	0,5	0,5
Многолучевость	1,0	1,0
Аппаратура потребителя	1,08	10,8
Суммарная погрешность	4,31	12,21

Ионосферная рефракция явля­ется следствием изменения коэффициента ее преломления и учитывается по данным измерений на двух частотах.

Тропосферная рефракция возникает из-за непостоянства коэффициента преломления при изменении высоты.

Многолучевость распространения сигнала зависит от взаимного расположения спутника, отражающей поверхности и размещения потребителя. Эта погрешность не поддается прогнозированию, и в табл. 2.5 дано ее примерное значение.

Аппаратура потребителя вносит погрешности, вызванные преимущественно шумом приемника, погрешностями определения параметров антенны, недостаточной точностью программной обработки и др.

Методы позиционирования. В специальной литературе под абсолютным позиционированием понимают определение координат пункта, то есть работу в кодовом навигационном режиме, а под относительным – определение местоположения одного пункта относительно другого - твердого, исходного пункта.

А бсолютное позиционирование предполагает определение геоцентрических (X, Y, Z) или геодезических (B, L, H) координат фазового центра спутникового приемника на основе следующей зависимости между векторами, определяющими положение наблюдателя R_A, спутника R_S и псевдодальностью r_A и ее искажением r (рис. 10.14):

.

Пространственное положение спутника в момент наблюдений R_S вычисляют с использованием принятой модели его движения (10.3. 3) и данных навигационных сообщений, а дальнос­ти r_A – по формулам (10.3). Искомый вектор R_A находят из решения четырех нормальных уравнений, связывающих по­правки к приближенным координатам определяемой точки и к часам приемника.

Чаще всего точность абсолютного позиционирования для целей навигации оказывается недостаточной, и для ее повышения используют дифференциальные подсистемы (10. 3. 2)

О тносительное позиционирование считается наиболее точным и предполагает использование двух синхронно работающих приемников (рис. 10.15), один из которых установлен на опорном пункте ОП-1 и называется базовым или референцным (base or reference station), а второй – над определяемой точкой ОП-2 и называется ровером (rover). При обработке результатов измерений формируются пространственные векторы, определяющие положение ровера относительно базового пункта; применение специальных приемов позволяет компенсировать наиболее значимые погрешности измеренных даль­ностей и уменьшить влияние остальных источников ошибок до приемлемых пределов.

Для целей навигации по понятным причинам используются только кинематические режимы измерений (с подвижным ровером), общая характеристика которых представлена в табл. 10.6.

Таблица 10.6
Режим	Характеристики	Точность*, мм
Кинематика	Определение положения точек при перемещении ровера (в движении или с короткими остановками)	(1020 + 210-6D)
Стой-Иди	1-минутные остановки на определяемых пунктах	(5 + 110-6D)
RTK	Постоянная связь с базовой станцией по радиомо­дему и определение координат в реальном мас­штабе вре­мени	(5 + 110-6D)
OTF (на - лету)	Определение координат центров фотографирова­ния в полете 2-частотным приемником	100  150
* D – расстояние между базовым и определяемым пунктами.

Режим кинематики имеет ряд разновидностей:

• стой - иди (Stop and Go) с короткими остановками на определяемых точках, координаты которых определяются при постобработке;

• кинематики в реальном времени (Real Time Kinematics – RTK) предполагает оснащение приемников радиомодемами и определе­ние координат точек установки ровера в течение нескольких се­кунд с учетом поправок, полученных по радиомодему с базовой станции;

• OTF (On The Fly – на лету) используется для определения координат движущихся объектов (самолетов, автомобилей и др.) при помощи непрерывного приема сигналов двухчастотным приемником.

Одновременное наблюдение спутников ГЛОНАСС и GPS позво­ляет повысить точность позиционирования и сократить время измерений.