Основные принципы GPS системы при проведении крупномасштабных съемок

Количество спутников	Время наблюдения (минут)
4	20 и более
5	10-15
6 и более	5-10

 

Период наблюдения базисной линии в процессе быстростатической  съемки зависит от длинны базисной линии и геометрии спутников. В приведенных в таблице оценках  времени учитывается только количество спутников и предполагается, что  базисные линии невелики по длине.

 

 

1.5.3.Кинематика.

 

Методы  кинематической съемки обеспечивают наивысшую  продуктивность. При кинематическом режиме один приемник устанавливается на опорном пункте, а другой приемник (который называется подвижным приемником) перемещается по территории, охваченной проектом, и производит наблюдения интересующих пользователя пунктов. Это общая классификация затрагивает также широкий спектр специальных методик, которые связаны между собой и в тоже время уникальны. Кинематические съемки могут рассматриваться либо как:

• съемки с последующей обработкой данных, либо как съемки в реальном времени
• одночастотные или двух частотные
• съемки в режиме stop and-go (остановка и движение), либо как непрерывные съемки

Все виды кинематической съемки требуют  проведения инициализации. Инициализация представляет собой процесс, посредством которого разрешается неоднозначность целого числа фазовых циклов. Для всех видов кинематических съемок необходимо проведение инициализации, а многие из них требуют повторной инициализации, в случае если в ходе съемки на каком-либо пункте имеет место потеря связи со спутниками. Одночастотные приемники должны проводить инициализацию с использованием известной базисной линии. Это справедливо как для съемок в реальном времени, так и для съемок с последующей обработкой данных.

 “Известная” базисная линия получается, как правило, в результате выполнения статической или быстростатической съемки, которая предшествует работе в кинематическом режиме, однако это может быть также и базисная линия, отнаблюденная в прошлый раз в кинематическом режиме или полученная по контрольным координатам и должным образом преобразованная в WGS 84. “RTK инициализатор” фирмы Trimble (пластина с фиксированным расстоянием и заданной ориентацией, на которую монтируются антенны опорного и подвижного приемника) просто представляет собой вариацию инициализации известной базисной линии. Двухчастотные приемники могут использовать преимущества новых алгоритмов, которые делают возможным проведение инициализации либо посредством очень короткого сеанса наблюдения в быстростатическом режиме, либо просто “on-the-fly” (OTF), то есть, в процессе движения. “Автоматическая инициализация в статическом режиме” или “Автоматическая инициализация в процессе движения”, как называются каждый из двух типов инициализации, возможны либо реальном времени, либо в ходе последующей обработкой данных. В каждом из этих случаев инициализация должна проводиться до обработки последовательных векторов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.5.4.Stop-and-go (остановка и движение).

 

Режим stop-and-go (остановка и движение) представляет собой рабочий режим, который  выставляется по умолчанию при кинематической съемке. Согласно этому режиму, подвижный приемник останавливается на пункте, собирает 2 – 5 эпохи данных (если надо, то и больше), после чего перемещается дальше на следующий пункт. В случае если геодезическая съемка должна пройти постобработку, то данные регистрируются в приемнике серии 4000.

Данный  тип кинематической съемки используется для сбора информации о базисных линиях и достаточно ограниченной области (в пределах 10 километров). Эти базисные линии могут точно указать  положение любого числа топографических  признаков, включая опорные пункты, объекты коммунального хозяйства (например, смотровые колодцы, стоки  и люки), границы земельной собственности (такие как изгороди или стены  из камня).

1.5.5.Вычисление времени и координат спутника.

 

Время в системе GPS исчисляются числом недель и числом секунд в текущей  неделе. В текущей неделе время  может изменяться от 0 (в начале недели) до 604800 секунд (в конце недели). Начало отсчета времени GPS ведется от 5 января 1980 года с 0^h UTC. Поэтому начало недели GPS ведется до полуночи (время универсальное) между субботой и воскресеньем. Время в системе GPS имеет свою собственную шкалу и определяется часами на главной станции контроля. Длительность секунды GPS отличается от шкалы времени UTS это означает, что время GPS не идентично времени UTS. Это различие отслеживается и передается в навигационном сообщении.

 

  На 1 июля 1992 года это различие  составляло около 8 секунд (время  GPS опережает время UTS).В связи  с тем, что генераторы частоты,  установленные на каждом спутнике, имеют некоторые погрешности, то показания часов на спутнике отличается от времени GPS.

Спутниковые технологии при выполнении крупномасштабных съемок

 

2.1.Особенности работы GPS приемников

Еще раз отметим, что основное название GPS – военное. С целью исключения несанкционированного использования системы в эфемериды  спутников умышленно вносятся искажения, а так же искажаются показания  часов спутников и несущая  частота (так называемый режим Selective Avaitabiling (SA)). Исключить эти искажения может лишь приемник, имеющий доступ к P- коду (только военный приемник). В этом случае предельная ошибка определения абсолютных координат составляет 10-20 м. Обычный приемник, работающий лишь по C/A коду может определить абсолютные координаты с предельной ошибкой 150-200 м. В системе ГЛОНАСС искажения не вносятся и любой пользователь может определить координаты своего местоположения с предельной ошибкой

20 м.

Приведем  некоторые возможные классификации  современных приемников:

Приемники, способные принимать:

1. C/A – код.
2. C/A - код + фазовые измерения на частоте L1.
3. C/A - код + фазовые измерения на частотах L1 и L2.
4. C/A - код + P – код + фазовые измерения на частотах L1 и L2.

В геодезии широкое применение нашли приемники, занимающие 2-ю и 3-ю позиции и  выше приведенной классификации. Кроме  этого, приемники можно классифицировать приемники по области применения:

1. Геодезические приемники.

2. Навигационные приемники.

3. Приемники времени.

4. Военные приемники.

В геодезических  приемниках, в основном, используются приемники, способные производить  фазовые измерения на частоте L1 или  двух частотах L1 и L2. Однако для определения  поправок в часы приемника и обеспечения  синхронной работы нескольких одновременно работающих приемников, параллельно с фазовыми измерениями производятся кодовые измерения с использованием C/A кода. По кодовым измерениям микропроцессор автоматически вычисляет поправку и корректирует часы приемника с точностью 1 ms = 0.001 сек. Следовательно, несинхронность работы приемников производящих измерения на различных пунктах, не превышает 2 ms.

 

Основные  блоки GPS приемника представлены являются:

1. антенна с предусилителем

2. идентификатор сигналов и распределение  частот по каналам

3. микропроцессор для управления  работой приемника

4. расшифровка принятой информации, вычисления абсолютных координат и поправок в часы приемника, выполнение фазовых измерений

5. стабильный кварцевый генератор

6. дисплей и панель управления

7. блок памяти для записи и  хранения информации

8. блок питания

Для того чтобы  производить фазовые измерения  на несущей частоте, необходимо произвести демодуляцию сигнала (очистить сигнал от модуляции).

Одним из способов демодуляции сигнала является квадратирование, т. е. умножение сигнала самого на себя.

Модулированный сигнал можно представить в виде:

x = P(t)sinωt

где P(t) – амплитуда сигнала, которая  в определенные моменты времени  принимает значения +1 или -1.

После возведения в квадрат этого  сигнала, амплитуда изменяться не будет, но частота удвоится.

В другом способе  демодуляции сигнал разделяют на два, в оном из сигналов изменяют фазу на π/2 и вновь сигналы складывают. В результате получают гармонический синусоидальный сигнал.

В настоящее  время наибольшее распространение  получили приемники одночастотные (L1) двенадцатиканальные и двухчастотные (L1 и L2) по двенадцать каналов на каждую частоту. Такими приемниками можно  одновременно принимать сигналы  от двенадцати спутников. Частота сигнала, принятая приемником, слишком высокая, чтобы на ней

можно было производить высокоточные измерения, поэтому ее понижают путем  вычитания из принятого сигнала, близкого к частоте, излучаемой спутником. На выделенной разностной частоте производят фазовые измерения. Приемник принимает  сигналы от нескольких спутников (как  правило, не менее четырех) и фазовые  измерения производятся по всем каналам  единовременно. На рисунке 12 иллюстрируется принцип фазовых измерений в  двух каналах (в остальных каналах  – аналогично). На первый и второй временных осях (1 и 2) показаны принятые сигналы от двух различных спутников (после снятия с них модуляции). На третьей временной оси показана частота гетеродина (суммарная частота  гетеродирования). Она общая для  всех спутниковых сигналов. На четвертой и пятой временных осях представлен результат гетеродирования (разностная частота).

 

В том случае, если частота принятого  сигнала меньше частоты гетеродина – результат фазовых измерений  имеет знак “плюс”; если принятая частота больше частоты гетеродина – знак “минус”.

Начало фазовых  измерений определяется точкой перехода разностного сигнала через нуль (команда «старт»). Если в течение целого периода не поступила команда «счет», результат измерения обнуляется и счет начинается вновь. Таким образом, при поступлении первой команды «счет» записывается результат измерения от стартовых точек A₀₁ и A₀₂ (рисунок 12) до команды «счет 1»: φ₀₁ и φ₀₂. При этом первый результат измерения по абсолютному значению всегда меньше единицы и составляет долю фазового цикла. При поступлении следующих команд «счет» измеряется и заносится в память количество фазовых циклов и доли цикла от начальных точек A₀₁, A₀₂,…, до поступления очередной команды «счет». Команды «счет» поступают во все каналы одновременно.

2.2.Основные источники ошибок в работе GPS приемников

 2.2.1.Основные источники ошибок сопровождающие спутниковые измерения

Такие значительные ошибки не удовлетворяют требованиям  геодезического производства, поэтому  разработаны методические приемы, позволяющие  существенно уменьшить влияние основных источников ошибок. Влияние ошибок, свойственных спутниковым методам измерения, существенно уменьшается, если одновременно используется несколько приемников, установленных на определяемых пунктах синхронно принимающие сигналы от одних и тех же спутников. В таком случае в разностях координат любой пары приемников все приведенные источники ошибок будут существенно уменьшены. Разности координат по C/A кодовым измерениям, производившихся синхронно несколькими приемниками по одним и тем же спутникам, имеют среднюю квадратическую ошибку 0.3 – 3 м. Разности координат, вычисленных по результатам фазовых измерений, характеризуются средней квадратической ошибкой 0.5 см + D*10^-6, где D – расстояние между приемниками.

 

2.2.2.Влияние ионосферы и тропосферы.

В различных  областях науки и техники атмосферу  разделяют по высоте над поверхностью Земли на различные участки с  самостоятельными названиями. Электромагнитные колебания распространяются в среде, обладающей дисперсией (зависимость  скорости распространения от частоты  колебаний), обладают двумя различными скоростями распространения:

- фазовой  скоростью – скоростью распространения  фазы несущей частоты;

- групповой  скоростью сигнала, состоящего  из группы волн (в нашем случае  модулирующего сигнала – кода).

 

Ионосфера вносит существенно большие искажения  в результаты измерений, структура  ионосферы более сложная и  трудно учитывается.

Она характеризуется  электронной плотностью (количеством  электронов в одном кубическом метре), которая может меняться в больших  пределах даже в течение суток, так  как зависит от солнечного излучения, солнечной активности (количества пятен  на Солнце), космического излучения  и некоторых других факторов. За состоянием ионосферы ведут постоянные наблюдения и ее обобщенные характеристики передают в навигационном сообщении  спутника.

Ионосферу делят  на четыре основных слоя, которые называют D, E, F₁ и F₂

 

Важной характеристикой  ионосферы (для описания распространения  электромагнитных волн) является электронное  содержание (electron content)

 

 

 

2.2.3.Влияние зашумления сигнала.

В связи с  тем, что в стандарт частоты спутника также содержит эти искажения. Эта  ошибка может составлять значительную величину. На рисунке 15 представлены результаты исследований влияния искажения  стандарта частоты спутника на результаты вычисления расстояния между спутником  и приемником. На рисунке 16 представлены результаты совместного влияния  зашумления стандарта частоты и  эфемерид спутника.

Влияние этих ошибок может быть существенно  ослаблено путем синхронизированных измерений приращений координат  несколькими приемниками. В связи с тем, что Российская система ГЛОНАСС не использует систему зашумления сигнала, она может иметь преимущества при геодезических измерениях.

 

2.2.4.Влияние отраженных сигналов.

При приеме сигнала со спутника приемник может  принимать сигналы, отраженные от поверхности  Земли или окружающих предметов . В результате фазовые измерения производятся по суммарному сигналу, имеющему значительные искажения. Представим основной сигнал со спутника в виде:

и отраженный от местного предмета:

где A – амплитуда сигнала, поступающего со спутника;

kA – амплитуда отраженного сигнала;