Подробней о спутниковых измерениях.


     GNSS (глобальные навигационные спутниковые системы) для пользователя. Сегмент пользователя включает любого, использующего специальный GNSS-приемник для приема сигналов со спутников и определения собственного местоположения (координат). Девиз системы – «всегда и везде». То есть в любой точке на земной поверхности, в любой момент времени с использованием системы GNSS пользователь имеет возможность определить собственные координаты. На спутнике формируется бинарная последовательность, называемая кодом (двух типов C/A и P). На несущую частоту сигнала, излучаемого спутником, накладывается код и модулирует ее. Антенна приемника принимает код, который приходит с задержкой во времени Δτ. Эта задержка пропорционально пройденному сигналом расстоянию (Δτ’=Δτ+Δτ0), где Δτ’ – измеряемая временная задержка, Δτ0 – поправка за синхронизацию часов. Краткий обзор методов определения координат с помощью системы GNSS Существует несколько методов получения координат с использованием GNSS, которые можно разделить на три группы. Автономный режим. Используется единственный (автономный) приемник. Такой способ определения местоположения применяется туристами, автомобилистами, штурманами для навигации судов, находящихся вдали от берега, и военными. Точность определения координат порядка 10 м. Дифференциальные фазовые измерения. Позволяет получить точность 0,5 - 20 мм. Используется для геодезических измерений, сбора ГИС-данных, управления строительной техникой и т. д. Здесь измерения выполняют на 2 точках А и В. Тогда приращения координат АВ определяются с гораздо более высокой точностью. Повышение точности достигается за счет того, что расстояние АВ намного меньше, чем расстояния до спутников, и в приращениях компенсируются многие ошибки (приборные, влияние атмосферы и ионосферы). Дифференциальное координирование. Более известно, как DGPS, позволяет получать координаты с точностью 0,5 - 5 м. Используется для прибрежного кораблевождения, сбора данных для ГИС, в сельском хозяйстве и т. д. Принцип пространственной линейной засечки Принцип работы системы – динамическая пространственная линейная засечка. Если на какой-то момент времени t известны координаты 3 спутников и измерены расстояния от точки А на поверхности Земли до этих спутников, то можно определить координаты точки А. Как измерить расстояние до спутника? Если со спутника излучается электромагнитный сигнал, который принимается приемником в точке А, то, измерив время прохождения сигнала от спутника до приемника, можно вычислить расстояние, т. е. S=сt, где с – это скорость прохождения радиосигнала. Радиоволны распространяются со скоростью света, равной 290 000 км в секунду (186 000 миль в секунду). Сложность состоит в том, чтобы синхронизировать часы на спутнике и приемнике. Для этого нужен 4 спутник. Таким образом, каждый спутник системы в каждый момент времени «знает» собственные координаты. В результате в околоземном космическом пространстве создается динамическая сеть точек-спутников с известными координатами. Каждый спутник передает закодированную информацию о себе и об остальных спутниках системы, в том числе и информацию о собственных координатах. Следовательно, если удастся измерить расстояние между видимыми спутниками и определяемым объектом, то его координаты можно определить из решения пространственной линейной засечки. То есть из точек-спутников следует построить сферы радиусом, равным этим расстояниям, тогда эти сферы пересекутся в определяемой точке. Эта задача решается средствами третьего сегмента системы - приемниками пользователей. Их задачей является прием сигналов видимых спутников (не менее четырех), вычисление расстояний до спутников и собственных координат.
    В состав приемной аппаратуры входят не только антенны и собственно приемники спутниковых сигналов, но и компьютерные средства. Поэтому приемником (GPS или ГЛОНАСС) будем называть устройство, способное решать перечисленные выше задачи. Известно, что для вычисления трех координат объекта из классической пространственной линейной засечки достаточно измерить три расстояния до точек с известными координатами. Однако необходимым условием функционирования системы является наличие «видимости» на четыре спутника. Это объясняется тем, что в динамической сети время становится четвертой координатой. И если на спутниках можно смонтировать дорогостоящие атомные часы, то на многочисленных приемниках пользователей обходятся относительно дешевыми кварцевыми часами. Для определения поправок часов пользователей необходима дополнительная информация, которая и получается по результатам наблюдения четвертого спутника. Значит, для успешной работы приемник должен иметь не менее четырех частотных каналов для приема сигналов от спутников. Реально «видимыми» могут оказаться более четырех спутников. Если приемник имеет ровно четыре канала, то часть полезной информации не может быть принята и обработана. Поэтому обычно современные приемники имеют 12 каналов и более.
    Источники ошибок До сих пор мы принимали, что координаты, полученные с помощью системы GNSS, очень точны и свободны от ошибок, но это далеко не так. Существуют несколько источников ошибок, которые снижают точность координат. Источники ошибок можно разделить на следующие классы: • ионосферные и атмосферные задержки; • ошибки часов спутника и приёмника; • переотражение сигналов; • геометрическое снижение точности. Ионосферные и атмосферные задержки Поскольку спутниковый сигнал проходит через ионосферу, его прохождение может быть замедленно - эффект, подобный преломлению луча света, проходящего через стекло (рис. 13). Эти задержки воздействуют на скорость сигнала. Свет имеет постоянную скорость только в вакууме. Есть несколько факторов, которые оказывают влияние на величину задержки, вызванной ионосферой. К ним относятся: • Возвышение спутника – задержка сигналов от спутников, находящихся низко над горизонтом, будет больше, чем расположенных высоко, поскольку увеличивается расстояние, которое сигнал проходит через атмосферу. • Плотность ионосферы, на которую влияет солнечная энергии. Ночью влияние ионосферы весьма низкое, а днем ионосфера значительно больше замедляет сигнал. • Воздействие на сигнал водяных паров. Оно может быть компенсировано с помощью моделей атмосферы. Ошибки часов спутников и приемника. Даже при том, что часы на спутнике очень точны (ошибка хода составляет приблизительно 3 наносекунды), они иногда слегка спешат или отстают, что влияет на точность определения координат. Обнаруженные ошибки устраняются сегментом управления системой. Ошибки из-за переотражения сигнала Переотражение сигнала происходит, когда антенна приемника установлена рядом с большой отражающей поверхностью (здание, озеро и пр.). Сигнал достигает антенны не сразу, а сначала попадает на близлежащий объект. В результате антенна принимает отраженный сигнал. Влияние переотражения может быть ослаблено, если использовать специальные антенны. Геометрическое снижение точности Геометрическое снижение точности (DOP) – мера строгости спутниковой геометрии, и связано с расположением спутников на небесной сфере. DOP может усилить воздействие ошибок определения координат. На определение дальности до спутника воздействуют все вышеописанные ошибки. В случае, когда спутники расположены на небесной сфере достаточно широко, границы возможной ошибки малы. Когда спутники расположены близко друг к другу, увеличивается неопределенность положения. В зависимости от типа измерений могут быть вычислены различные типы геометрического снижения точности или DOP: VDOP - снижение точности по высоте. Дает снижение точности в вертикальном направлении. HDOP - снижение точности в плане. Дает снижение точности в горизонтальном направлении. PDOP - снижение точности положения. Дает снижение точности трехмерного положения. GDOP - геометрическое снижение точности. Дает снижение точности трёхмерного положения и времени. Наиболее комплексный показатель – GDOP, так как это комбинация всех коэффициентов. Некоторые приемники, однако, вычисляют PDOP или HDOP, которые не включают временную составляющую. Лучший путь уменьшения GDOP – это наблюдение как можно большего количества спутников. Помните, однако, что на сигналы от низко расположенных спутников ошибки воздействуют в большей степени. Общее правило при геодезических GPS измерениях - лучше наблюдать спутники с углами возвышения 15° и выше. Наиболее точные координаты будут вычисляться в случае низкого GDOP (обычно 8 или меньше). (По материалам "Формирование пространственно-привязанных локальных ГИС для целей картографирования: Учеб. пособие. – М.: РУДН, 2008. Елисеев В.М., Гаврилова О.В.")


Возврат к списку