Спутниковые системы и технологии позиционирования

Размещено на http://www.allbest.ru/

Тетрадь для самостоятельной подготовки

по дисциплине

"Спутниковые системы и технологии позиционирования"

(Тестовые задания по дисциплине "Спутниковые системы и технологии позиционирования")

План

Раздел 1. Основные принципы действия спутниковых систем определения местоположения

Раздел 2. Методы измерений и вычислений, используемые в спутниковых навигационных системах

Раздел 3. Системы координат и времени, используемые в спутниковых системах

Раздел 4. Основные источники ошибок спутниковых определений и методы их ослабления

Раздел 5. Обработка и уравнивание спутниковых определений

Раздел 6. Применение спутниковых технологий для решения геодезических задач

Список источников для подготовки к тестированию

Раздел 1. Основные принципы действия спутниковых систем определения местоположения

1. Особенности геодезических измерений спутниковыми методами.

Внедрение спутниковых технологий позволяет избежать ряд существенных недостатков традиционных методов геодезических определений, а именно:

1) обеспечения прямой видимости между смежными исходными и определяемыми пунктами;

2) высокий уровень случайных ошибок, обусловленных прохождением визирных лучей в приземных слоях атмосферы;

3) влияние погодных условий на точность и сроки наблюдений;

4) статические условия наблюдений;

5) ограниченность пространственных размеров исследуемых территорий; спутниковый геодезический навигационный

6) раздельное определение плановых координат и высот;

7) низкая производительность труда, уступающая спутниковым определениям в 10 - 15 раз.

2. Двусторонний и односторонний методы дальномерных измерений.

В двустороннем методе измерения расстояний сигналы, несущие в себе информацию о величине пройденного ими пути, проходят искомое расстояние дважды (в прямом и обратном направлениях). Такая концепция позволяет избавиться от целого ряда ошибок, связанных с несинхронностью работы генераторов, формирующих такие сигналы и участвующих в измерительном процессе.

В спутниковой геодезии двусторонние методы также как и в традиционной геодезии находят применение. На их основе работают лазерные спутниковые дальномерные системы, где отражающим объектом является спутник. Основной измеряемой величиной в упомянутых системах является время, затрачиваемое сигналом на прохождение удвоенного расстояния между земной поверхностью и спутником. Если скорость распространения такого сигнала известна, то без учета релятивистских эффектов интересующее нас расстояние с может быть подсчитано по формуле. Положительным моментом данного метода является тот факт, что интересующее нас время излучения и приема информационного сигнала осуществляется по одним и тем же часам, в результате чего не возникает проблемы синхронизации часов.

В спутниковых системах для точного определения местоположения применяются односторонние методы дальномерных измерений. Основная особенность односторонних методов измерения расстояний между спутником и наземным пунктом состоит в том, что передающее устройство размещается на спутнике, а приемник - на наземном пункте. При этом информационный сигнал проходит измеряемое расстояние только в одном направлении, а именно, от спутника до приемника.

Если при этом моменты излучения и приема данного сигнала зафиксированы точно синхронизированными часами, которые расположены на спутнике и на наземном пункте, то интересующее нас расстояние может быть определено по формуле. К позитивным показателям это метода относится возможность одновременного определения расстояний от одного, установленного на спутнике передающего устройства, до неограниченного количества приемных устройств, составляющих основу аппаратуры потребителя. Исключение из последней каких-либо радиопередатчиков, которые являются, как правило, потребителями значительного количества электроэнергии и которые приводят к существенным усложнениям аппаратуры, также следует отнести к положительным качествам такого метода. Вместе с тем необходимость строгого учета поправок, обусловленных несинхронностью работы опорных генераторов (а следовательно, и часов) на спутнике и в аппаратуре потребителя, несомненно следует отнести к негативным показателям одностороннего метода.

3. Принципы измерения длин линий в спутниковых навигационных системах.

Кодовые и фазовые принципы.

Кодовые принципы измерения. В приемнике спутниковых сигналов, как и на спутнике, есть датчик частоты и времени, в нем также вырабатываются частоты L1 и L2 (в одночастотном приемнике - только L1). Частота L1 модулируется копиями кодов С/А и Р, частота L2 - только кодом Р. Интервал времени между появлением на приемнике собственного кода и аналогичного кода, пришедшего от спутника, измеряют. Если бы часы приемника были точно синхронизированы с часами спутника, то формирование кодов на спутнике и в приемнике происходило бы одновременно. В этом случае измеренный интервал времени между появлениями на приемнике собственного кода и кода, пришедшего от спутника, был бы равен времени прохождения сигнала от спутника до приемника, что позволило бы вычислить расстояние до спутника. Однако показания часов спутника и приемника расходятся на некоторую величину, равную дs - дp, где дs - ошибка часов спутника, дp - ошибка часов приемника. Поэтому измеренное расстояние R существенно отличается от верного и носит название - псевдорасстояние. Кодовые измерения применяются при решении задач навигации. В геодезических работах кодовые измерения играют вспомогательную роль - служат для определения приближенных координат пунктов сети.

Применительно к геодезическому использованию спутниковых систем основными являются фазовые методы, базирующиеся на применении в качестве информационных сигналов несущих гармонических колебаний дециметрового диапазона радиоволн. Основным параметром, используемым при фазовых дальномерных измерениях, является текущая фаза. Одна из негативных особенностей фазовых измерений состоит в том, что при отсутствии какой-либо предварительной информации о предыдущих измерениях фазометр позволяет определить разность фаз только в пределах одного периода (т.е. одного фазового цикла), в то время как необходимо вести подсчет и числа полных периодов изменения фазы N за время прохождения информационным сигналом искомого расстояния. Еще одна особенность фазовых спутниковых измерений связана с односторонним методом дальномерных измерений, получившим в спутниковых системах позиционирования широкое распространение.

4. Схема построения спутниковой навигационной системы.

Современная система GPS и Глонасс состоит из 24 спутников (21 основных и 3 запасных), которые обращаются на трёх орбитах (Глонасс) и на шести орбитах (GPS). Орбиты спутников практически круговые и расположены на высотах 19100 км - Глонасс и 20183 км - GPS. Система Глонасс имеет три орбитальные плоскости, наклонение орбит 64,8є. Плоскости орбит спутников GPS наклонены на угол около 55є к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60є по долготе. В каждой из 6 орбитальных плоскостей расположены три равноотстоящих друг от друга на 120є спутника. Спутник в соседней восточной плоскости находится на 40є севернее спутника, расположенного в соседней западной орбитальной плоскости. Радиусы орбит - около 26 тыс. км. Период обращения спутников равен 12 часам звёздного времени (звёздные сутки равны 23 часа 55 минут 56.6 секунд). Каждый спутник проходит над одной и той же точкой ежедневно примерно на 4 минуты раньше вчерашнего.

5. Преобразования систем координат.

Преобразования из одной системы координат в другую базируется на применении элементов матричной алгебры. Так в матрице вращения для получения прямоугольной ординаты через сферические координаты входит косинус долготы, а матрица масштабных преобразований является прямоугольной. Мгновенная звездная система координат связана с положением точки весеннего равноденствия, а начало координат орбитальных систем координат совпадает с центром масс земли. Высоты в геодезических системах координат отсчитываются от поверхности принятого эллипсоида.

6. Принципы формирования кодовых последовательностей.

В соответствии с общей функциональной схемой кодированный сигнал формируется на основе использования генерируемых задающим генератором колебаний, частота которых подвергается 10-кратномуделению. Образуемая при этом последовательность остроконечных импульсов с периодом следования около 1 мкс поступает на ленточный сдвиговый регистр с обратными связями. Сдвиговый регистр - это набор соединенных между собой однобитовых ячеек памяти. Когда на вход цепочки из сдвиговых регистров поступает импульсный сигнал, содержимое такой последовательности регистров (т. е. их состояние) сдвигается на один бит в направлении к выходу. Для формирования кодового сигнала в цепочку из сдвиговых регистров вводят определенное количество обратных связей, которые по предписанной закономерности будут дополнительно изменять состояние входной ячейки памяти.

7. Понятие о содержании кодового сообщения.

Для передачи по каналу связи любое сообщение должно быть преобразовано в первичный электрический сигнал. Первичные электрические сигналы, соответствующие дискретным сообщениям, называют цифровыми (дискретными). Систему соответствия символов дискретного сообщения и комбинаций элементов первичного цифрового сигнала называют кодом. При кодировании каждому возможному символу сообщения из некоторого, заранее известного, множества однозначно определяется кодовая комбинация единичных элементов цифрового сигнала (например, "0" и "1"). При выдаче сообщения от источника желательно привести объем содержащейся в нем информации в соответствие с пропускной способностью канала связи. В данном случае имеет место кодирование источника сообщения. При передаче сообщения по каналу связи необходимо обеспечить максимальную достоверность его приема на фоне имеющих место в канале помех и искажений сигнала, т. е. надо максимально адаптировать передачу под особенности канала связи. В этом случае реализуется кодирование канала.

8. Основные функции сектора управления и контроля.

Название сектора управления и контроля - в отечественной литературе этот сектор часто называют также наземным комплексом управления, его функции: осуществлять непрерывное отслеживание всей передаваемой спутниками информации; производить обобщение и анализ такой информации с целью своевременной корректировки всех используемых при дальнейшей обработке показателей; на основе выполняемого анализа предсказывать эфемериды наблюдаемых спутников и передаваемое со спутников потребителям точное время; через строго определенные интервалы времени формировать обновленные навигационные сообщения и передавать такие сообщения по радиоканалу на соответствующие спутники; выявлять неисправности в работе спутников и принимать меры по их устранению; осуществлять корректировку орбит спутников не только за счет введения соответствующих поправок, но и посредством дистанционного управления реактивным двигателем, находящимся на борту спутника.

9. Обработка данных в приемной аппаратуре.

Проверка данных может включать обнаружение скачков фазы и их восстановление. Если процесс не выполняется приемником во время наблюдений, то обычно реализуется программой предварительной обработки данных. В настоящее время обработка наблюдений выполняется обычно в пакетном режиме. Все пакетные файлы создаются на основе трех- или четырех-символьных идентификаторов пунктов, так что первой задачей при обработке данных является обеспечение правильного наименования всех пунктов. Полезно вначале давать номера исходным пунктам, а затем последовательно присвоить номера определяемым пунктам. Такая нумерация должна выполняться в процессе планирования и рекогносцировки, чтобы облегчить ведение записей. Современные программы обработки используют пакетный режим для вычисления векторов баз. Есть два типа программ обработки: обрабатывающие вектор за вектором; дающие одновременно многобазовое решение.

Раздел 2. Методы измерений и вычислений, используемые в спутниковых навигационных системах

10. Абсолютные и относительные методы спутниковых определений.

Для определения координат абсолютным методом решается пространственная линейная засечка по псевдодальностям четырех и более спутников. Этот метод несет неизбежные погрешности за счет прохождения радиосигнала от спутника через ионосферу и тропосферу, а также за счет других эффектов. Иногда, эфемериды спутника умышленно загрубляют (то есть искусственно "зашумляют"), добавляя псевдослучайный сигнал к показаниям часов спутника или за счет искажения информации об орбитах. Это осуществляется за счет введения режима SA (Selektiv avaiabilit), вводимого Министерством США, для снижения точности определения координат гражданскими потребителями. Сейчас эти действия отменены.

В относительном методе определения координат спутниковые наблюдения производят двумя и более приемниками, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами (базовая станция), а второй находится в точке, координаты которой необходимо определить (мобильная станция). Оба приемника получают сигналы от одних и тех же спутников в один промежуток времени, что в дальнейшем при обработке векторов сводит на нет ошибки прохождения сигналов посылаемых со спутников.

11. Основные разновидности дифференциальных методов.

При выполнении одновременных спутниковых измерений, в которых участвуют несколько спутников и несколько приемников, возможна организация различных вариантов разностных отсчетов. К таким вариантам могут быть отнесены:

1) разности результатов, получаемых на различных точках стояния спутниковых приемников при одновременных наблюдениях одного и того же спутника;

2) разности результатов, получаемые с помощью одного приемника при одновременных наблюдениях двух или более спутников;

3) разности результатов, получаемых при использовании одного приемника и при наблюдениях одного спутника, относящихся к различным моментам времени (эпохам);

4) комбинирование результатов, получаемых при использовании различных видов измерений (например, измерений, выполняемых на основе кодовых методов и определений фазы несущих колебаний).

Применение дифференциального метода позволяет резко уменьшить влияние атмосферы на разностные результаты, так как в данном случае необходимо учитывать не абсолютные значения задержек радиосигналов при их прохождении через атмосферу, а только разности этих задержек, которые при сравнительно небольших разносах станций характеризуются сравнительно малыми величинами.

12. Принцип измерения псевдодальностей.

Основным показателем псевдодальномерных измерений является разность между моментом передачи кодовой посылки (при отсчете времени по часам, установленным на спутнике) и моментом приема упомянутой посылки (при отсчете времени по часам приемника). Применительно к введенному определению под псевдодальностью будем понимать измеряемое значение расстояния между спутником и приемником на момент передачи и приема радиосигналов с применением псевдослучайных кодовых посылок, генерируемых на спутнике и в приемнике. При этом первые из них формируются с помощью спутниковых часов, а вторые - на основе показаний часов приемника. Показания часов на спутнике и в приемнике, как правило, расходятся, что приводит к возникновению соответствующих погрешностей в величине измеряемого расстояния. Кроме того, дополнительные отличия между определяемым и истинным значениями искомой длины линии обусловлены задержками на трассе прохождения радиосигналов через атмосферу (ионосферу и тропосферу). Чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, надо их измерять не до двух или трех, а до большего числа спутников с известными координатами. Кроме того, как это принято в геодезии, всегда должны быть избыточно измеренные величины. Избыточные результаты повышают качество определений, ибо обеспечивают контроль и позволяют выполнять уравнивание по методу наименьших квадратов.

13. Первые, вторые и третьи разности в фазовых измерениях.

Первая разность содержит разность целых уложений длин волн в расстояниях до спутника. Вторая разность содержит разность целых уложений длин волн, содержащихся в первых разностях. Третья разность - это разность двух вторых разностей.

Программное обеспечение формирует первые разности фазовых измерений, из них формирует вторые разности, а затем - третьи разности. Первое, самое приближенное решение вектора базы получают из кодовых и допплеровских измерений. Уточняют его из решения по третьим разностям и уточненный результат используют в качестве приближенного для решения по вторым разностям, который и является основным при высокоточных геодезических определениях. Как было сказано, наиболее трудным этапом при обработке по вторым разностям является разрешение многозначности.

14. Интегральный доплеровский счет.

Допплеровские измерения в режиме интегрирования допплеровской частоты позволяют получать разность расстояний от определяемого пункта до двух исходных пунктов. В случае спутниковых измерений роль исходных пунктов выполняют спутники. В разностных наземных системах определяемый пункт получают как точку пересечения изолиний - гипербол. В случае допплеровских измерений такой поверхностью является гиперболоид; местоположение пункта определяют как точку пересечения гиперболоидов. Их должно быть как минимум три, следовательно, одновременно необходимо наблюдать три пары спутников. Эффект Доплера следует воспринимать через изменение частоты принимаемых колебаний, которое обусловлено взаимным перемещением спутника и приемника.

15. Принципы разрешения неоднозначностей в фазовых измерениях.

Существуют две проблемы разрешение неоднозначности: учет начальных фаз колебаний генераторов спутника и приемника. Приемник не только измеряет разность фаз, но и непрерывно регистрирует результат этого измерения. Такая процедура называется счетом целых фазовых циклов, которая применяется в геометрическом методе разрешения неоднозначности. В наземных системах счет идет достаточно медленно: единицы циклов в секунду или в минуту. В спутниковой системе приемник считает тысячи циклов в секунду. В целом многозначность разрешают способом, во многом аналогичном способу радиолага и способу фазового зонда, используемым в наземных системах. Отличие в том, что расстояние до спутника в начальный момент измерений в спутниковой системе с достаточной точностью знать нельзя. Сюда примыкают проблемы, связанные с неопределенностью начальных фаз. Необходимо учитывать, что при наземных измерениях наблюдатель имеет достаточно времени для разрешения многозначности, а при спутниковых измерениях многозначность необходимо разрешить "мгновенно", быстрое перемещение спутника не дает возможности повтора. Проблемы этим не ограничиваются. Напомним, что GPS создавалась как навигационная кодовая система, изначально не предназначенная для фазовых измерений. В ней нет стройной сетки частот, специально предназначенной для разрешения многозначности. Все сказанное приводит к тому, что разрешение многозначности - самая большая проблема в спутниковых измерениях. Решить эту проблему удается, формируя разности результатов фазовых измерений. В геодезических измерениях участвуют несколько приемников, как минимум два. Каждый приемник одновременно принимает и регистрирует сигнал нескольких спутников.

16. Выявление пропусков фазовых циклов.

При работе со спутниковыми приемниками отмечают следующие причины пропуска фазовых циклов: экранировка принимаемых от спутника радиосигналов различного рода окружающими объектами (деревьями, строениями, конструкциями наружных геодезических сигналов, горным рельефом и др.); недопустимое ослабление поступающих на вход антенны сигналов из-за влияния различного рода отражений, обусловливающих появление многопутности и последующую интерференцию таких попадающих в приемник сигналов; сильные мерцания сигналов из-за влияния возбужденной ионосферы; сильное затухание упомянутых сигналов при их прохождении через атмосферу от спутников, находящихся низко над горизонтом; недостаточно качественная работа спутниковых приемников (в частности, неудовлетворительное разделение сигналов, поступающих от различных спутников, что может приводить к дополнительным ослаблениям принимаемых сигналов); нарушения, возникающие в процессе обработки сигналов из-за появления различного рода отклонений от штатной ситуации. Если в процессе проведения сеанса наблюдений были допущены пропуски фазовых циклов, то они должны быть, прежде всего, выявлены и количественно оценены, после чего необходимо принять меры к их устранению. Желательно, чтобы все эти процедуры были выполнены на стадии предварительной обработки.

17. Общая схема обработки измерительных данных.

B геодезии обработку результатов измерений выполняют по способу наименьших квадратов, основанному на составлении и решении системы линейных уравнений. В GPS, также как и в большинстве других геодезических методов, уравнения, связывающие измеряемые величины и определяемые параметры, линейными не являются. На этот случай предусмотрена процедура линеаризации уравнений. Функцию измеренной величины от определяемых параметров раскладывают в ряд Тейлора и ограничиваются членами с первыми частными производными. При этом необходимо знать приближенные значения определяемых параметров и предвычисленное по этим значениям приближенное значение измеряемой величины. Приближенные значения координат вектора базы, используемые впоследствии при окончательном решении по вторым разностям, получают из решения по третьим разностям.

Программное обеспечение формирует первые разности фазовых измерений, из них формирует вторые разности, а затем - третьи разности. Первое, самое приближенное решение вектора базы получают из кодовых и допплеровских измерений. Уточняют его из решения по третьим разностям и уточненный результат используют в качестве приближенного для решения по вторым разностям, который и является основным при высокоточных геодезических определениях. Как было сказано, наиболее трудным этапом при обработке по вторым разностям является разрешение многозначности.

Раздел 3. Системы координат и времени, используемые в спутниковых системах

18. Общие сведения о системах координат.

Для описания движения спутников применяют звездную референцную систему координат, а координаты точек определяют в геодезических системах координат, начало которых связано с Землей. В спутниковых системах широко применяются сферические и геоцентрические системы координат. В России без интеграции с западными странами создана система ПЗ-90 (Параметры Земли 1990 г.).

К общеземным относится установленная ранее система GRS-80.

Система координат 1995 года установлена так, что ее оси параллельны осям геоцентрической системы координат. Положение начала СК-95 задано таким образом, что значения координат пункта ГГС Пулково в системах СК-95 и СК-42 совпадают.

19. Системы отсчета времени, используемые в спутниковых системах.

Время, определяемое через период вращения Земли, называю, звездным, а поддерживаемое с помощью атомных часов - атомным. На спутниках эталонные генераторы высокостабильных колебаний одновременно являются хранителями времени. На борту каждого космического аппарата (КА) сигналы формируются от четырех цезиевых атомных стандартов с относительной нестабильностью частоты за сутки около 10-13нс. Передаваемые радиосигналы несут метки времени. По этим меткам на Земле при помощи станций службы времени производится сверка временных шкал с государственными эталонами. По ним же синхронизируют измерения и в аппаратуре пользователей. Единицей измерений атомного времени (АТ) является атомная секунда - интервал времени, в течение которого совершается 9192631770 колебаний, соответствующих резонансной частоте энергетического перехода между уровнями сверхтонкой структуры основного состояния атома цезия-133. Существует Международное атомное время TAI и время спутниковой системы. Естественно их шкалы не совпадают. Время GPS (GPST) было установлено в полночь с 5 на 6 января 1980 г. и на 19 с меньше времени TAI. Атомное время течет равномерно и постепенно расходится с так называемым Всемирным временем UT, соответствующим среднему времени Гринвичского меридиана, которое соотнесено с суточным вращением Земли. Различают всемирное время UT0, получаемое из астрономических наблюдений, UT1 - исправленное за смещение мгновенного полюса относительно его среднего положения и UT2 - исправленное UT1 поправками за сезонные вариации вращения Земли. Поскольку шкалы AT и UT между собой не согласуются, введена промежуточная шкала так называемого координированного времени UTC. UTC - атомное время, которое корректируется на 1 с, когда его отклонение от UT1 превышает 0,9 с. Коррекция выполняется в последнюю секунду 31 декабря или 30 июня, или в обе даты.

20. Звездные системы координат.

Для описания движения спутников применяют звездную референцную систему координат, а координаты точек определяют в геодезических системах координат, начало которых связано с Землей. Мгновенная звездная система координат связана с положением точки весеннего равноденствия, а начало координат орбитальных систем координат совпадает с центром масс земли.

21. Геодезические системы координат и их преобразование.

Геодезические системы отсчета устанавливают параметры, определяющие фигуру, размеры, гравитационное поле Земли и закрепляют гринвичскую геоцентрическую прямоугольную систему координат. Высоты в геодезических системах координат отсчитываются от поверхности принятого эллипсоида. Геодезические системы отсчета устанавливают параметры, определяющие фигуру, размеры, гравитационное поле Земли и закрепляют гринвичскую геоцентрическую прямоугольную систему координат. Координатная ось Z направлена на точку условного земного полюса, соответствующему среднему полюсу за 1900-1905 гг., исправленному на нутацию; ось X находится в плоскости меридиана Гринвича, при этом оси X и Y лежат в плоскости экватора и образуют правую систему координат. Начало координатной системы расположено в центре масс Земли. Составной частью координатных систем являются опорные геодезические сети. Сети закрепляют начало координат в центре масс Земли с точностью до 10 см, ориентируют ось Z на условный земной полюс с погрешностью в сотых долях угловой секунды и устанавливают ось X в плоскости меридиана Гринвича до тысячных долей секунды. Со временем геоцентрические координаты пунктов опорных сетей вследствие непрерывного их совершенствования и геодинамических процессов изменяются.

22. Общеземная система координат.

К общеземным относится установленная ранее система GRS-80 (Geodetic Reference System, 1980), параметры которой послужили основой ряда других координатных систем Европы, Австралии и Америки. В настоящее время в связи с широким применением спутниковых систем позиционирования в мире получила распространение координатная система WGS-84 (World Geodetic System, 1984).

23. Геоцентрические системы координат ПЗ-90 и WGS-84.

Координатная система WGS-84 реализует координаты типа ITRF. Начало координат этой системы зафиксировано в центре масс Земли с точностью около 1 м. Ее физические параметры практически соответствуют параметрам системы GRS-80. Мировая геодезическая система отсчета 1984 года (WGS-84) является четвертой из серии глобальных геоцентрических систем координат, созданных Министерством обороны США, начиная с 1960 года. Точность плановых координат в этой системе, равная 1-2 м, была более чем достаточной для крупномасштабного картографирования. Точность высот зависела от того, как были определены превышения. Если для этой цели использовалось нивелирование I-го класса, высоты определялись очень точно (до одного см) по отношению к локальному уровню моря. При нивелировании превышения оценивались по высотам по отношению к эллипсоиду WGS-84, и использовались высоты геоида, определенные по модели WGS геоида.

Система ПЗ-90 закреплена координатами трех десятков опорных пунктов Космической геодезической сети России, при этом 7 пунктов установлены в Антарктиде. Погрешность взаимного положения пунктов при расстояниях между ними до 10 000 км менее 30 см. Начало координат совмещено с центром масс Земли с точностью около 1 м. Геоцентрическая система координат "Параметры Земли 1990 года" (ПЗ-90) закреплена координатами 30 опорных пунктов на территории СНГ, полученных по наблюдениям спутника Гео-ИК с точностью 1-2 м. Основные параметры общеземного эллипсоида, полученные по 30 млн. спутниковых измерений на суше и на мировом океане, имеют следующие значения:- большая полуось 6378 136 м; сжатие 1/298,257839303.

24. Методы преобразования координатных систем и параметры перехода.

Преобразования из одной системы координат в другую базируется на применении элементов матричной алгебры. Так в матрице вращения для получения прямоугольной ординаты через сферические координаты входит косинус долготы, а матрица масштабных преобразований является прямоугольной.

Геометрические параметры эллипсоидов

Взаимосвязь между геоцентрическими государственными геодезическими системами координат выражается семью элементами. Этими элементами являются три угловых элемента, показывающих поворот осей системы: щx, щy, щz; три линейных элемента - координаты смещения центра системы: Д X0, Д Y0, Д Z0 и показатель масштаба: m*10?6

25. Особенности определения высот на основе спутниковых систем.

Высоты в геодезических системах координат отсчитываются от поверхности принятого эллипсоида.

Высоты пунктов АГС относительно референц-эллипсоида Красовского определены как сумма их нормальных высот и высот квазигеоида, полученных из астрономо-гравиметрического нивелирования. В процессе нескольких приближений совместного уравнивания высоты квазигеоида для территории отдаленных восточных регионов дополнительно уточнялись с учетом результатов уравнивания. С целью контроля геоцентричности системы координат в совместное уравнивание включены независимо определенные геоцентрические радиус-векторы 35 пунктов КГС и ДГС, удаленных один от другого на расстояния около 1000 км, для которых высоты квазигеоида над общим земным эллипсоидом получены гравиметрическим методом, а нормальные высоты - из нивелирования.Раздел 4. Основные источники ошибок спутниковых определений и методы их ослабления

26. Классификация источников ошибок спутниковых определений.

Геометрический фактор зависит от того, под какими углами пересекаются изоповерхности, то есть от геометрии наблюдений. Влияние внешней среды - на пути от спутника до приемного устройства на Земле радиосигнал претерпевает возмущения в ионосфере, нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, а также вблизи поверхности Земли (влияние ионосферы, влияние нижних слоев атмосфеоы). Многолучевость (многопутность) - к антенне приходят радиолучи непосредственно от спутника, а также радиолучи, обогнувшие вследствие дифракции мелкие предметы, и отраженные от земной поверхности, зданий и других объектов местности.

27. Ошибки эфемерид спутников.

Относительная ошибка, вызванная влиянием этого источника ошибок, примерно равна отношению ошибки местоположения спутника к высоте его орбиты (около 20 тысяч километров). Влияние его зависит от геометрии наблюдений. Например, ошибки координат спутника, получаемых из широковещательных эфемерид, транслируемых на С/А-коде составляют примерно около 5*10-6. Ошибки в координатах спутника получаются еще большими при его маневрах, о которых пользователь заранее не предупреждается, а также после нахождения спутника в тени Земли. Ослабления влияния данного источника ошибок можно достичь, наблюдая как можно большее число спутников. Радикальным подходом является организация службы слежения за орбитами спутников в данной стране или соседствующих стран.

28. Влияние ошибок внешней среды на спутниковые определения.

Влияние ионосферы: ионосфера простирается примерно на высотах от 50 км до 1000 (1500) км над поверхностью Земли. В ионосфере содержатся свободные электроны и ионы. Под воздействием радиоволн заряженные частицы приходят в вынужденное колебательное движение. Путь и скорость волн изменяются. Наибольшее влияние оказывают электроны. Для радиоволн такая среда становится диспергирующей. В ней скорость распространения зависит от длины волны. По этой причине не всякой длины волны могут проникнуть через ионосферу в космос, окна прозрачности в радиодиапазоне открыты только для волн длиннее 1см и короче 10 м. В годы минимальной активности Солнца и особенно ночью окно прозрачности может распахнуться для волн большей длины. Миллиметровые волны через атмосферу не проникают. Спутниковые системы первого поколения TRANSIT и ЦИКАДА использовали несущие волны длиной 2 и 0,75 метра. Системы второго поколения ГЛОНАСС и GPS работают на несущих волнах длиной около 0,2 метра. Концентрация электронов зависит от угла возвышения спутника, географического местоположения, времени суток, года и активности Солнца. В средних широтах искажения могут достигать десятков метров. В среднем они равны 10 м. Для конкретного сеанса измерений ионосферные погрешности являются медленноменяющимися и сильно коррелированными. Важным является то, что искажения зависят от квадрата частоты и их величину можно регулировать выбором длины волны. Так, основная несущая волна L1 в ГЛОНАСС и GPS в десять раз короче, чем в системах первого поколения. Поэтому в современных системах выбором длин радиоволн влияние ионосферы уменьшено практически в сто раз. В измерения, выполненные на одной частоте, вносят поправки за искажения в ионосфере. Зависимость искажений от частот позволяет исключать их измерением на двух частотах.

Влияние нижних слоев атмосферы: в нижних слоях атмосферы скорость распространения радиоволн зависит от показателя преломления атмосферы, который зависит только от метеоусловий.

В нижних слоях атмосферы скорость не зависит от длины радиоволны и исключить ее влияние измерениями на двух частотах, как это делалось в отношении ионосферы, невозможно. Для описания изменений показателя преломления с высотой часто пользуются экспоненциальной моделью. Влияние атмосферы наименьшее, когда спутник в зените. Разработан ряд формул для поправок за атмосферу. В качестве исходных данных используют метеорологические параметры пункта наблюдений. При высотах спутника над горизонтом менее 10° атмосферные задержки сигналов превышают 10 м. Поэтому, когда высоты спутника превышают 15°, а иногда и 20°, наблюдений не производят. Формулы поправок за влияние атмосферы дают представление о величинах искажений дальности. На деле применение измеренных на станции метеоданных, за исключением измерений в горах, не дает преимуществ перед использованием моделей стандартной атмосферы. Наоборот, многие исследователи отмечают, что они иногда даже ухудшают результаты; особенно снижается точность определения высот.

29. Инструментальные источники ошибок.

К антенне приходят радиолучи непосредственно от спутника, а также радиолучи, обогнувшие вследствие дифракции мелкие предметы, и отраженные от земной поверхности, зданий и других объектов местности. Многолучевость ведет к искажению дальностей. Если к приемной антенне подошел прямой радиолуч от спутника и отраженный от поверхности земли, то отраженный луч отличается от прямого по амплитуде и по фазе. Из-за неизбежных потерь при отражении его амплитуда уменьшается, изменяясь пропорционально коэффициенту отражения. Фаза изменяется по двум причинам: во-первых, в результате сдвига фазы при отражении и, во-вторых, из-за потери фазы за счет разности хода лучей. Коэффициент отражения и угол сдвига фазы зависят от диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости отражающей поверхности, длины волны, угла скольжения и поляризации радиолуча.

Влияние многолучевости на кодовые измерения более значительны; чем прифазовых. Их оценивают погрешностями в несколько метров. В геодезических антеннах устанавливают металлические экраны, отсекающие отраженные от земной поверхности лучи. В некоторых приемниках встроены программы подавления многолучевости. Ошибка в определении эпохи, общая для обоих приемоиндикаторов, приводит к ошибке в интерполированных координатах спутника. Ошибка определения базы равна произведению ошибки эпохи на угловую скорость спутника.

Раздел 5. Обработка и уравнивание спутниковых определений

30. Специфика проектирования и организации спутниковых измерений.

В процессе проектирования возникает необходимость обоснования принципов построения геодезических сетей на заданные регионы на основе применения спутниковых технологий, что вызывает необходимость их краткого описания. Исходным моментом при проектировании геодезических сетей, создаваемых спутниковыми методами, является разработка общей стратегии наблюдений. Основные положения стратегии обычно излагаются в соответствующих концепциях, предшествующих разработке технического проекта. К таким положениям могут быть отнесены: общие принципы построения сети, базирующейся на спутниковых измерениях; обоснование выбора того или иного метода спутниковых наблюдений и последующих вычислений; формулировка предпосылок, связанных с выбором всего комплекса технических средств и условий наблюдений; технико-экономическое обоснование выбранных спутниковых технологий.

Создаваемые на основе спутниковых измерений геодезические сети принято классифицировать по размерам охватываемой ими территории. Исходя из этого, различают глобальные, континентальные, региональные и локальные сети. В геодезии спутниковые координатные определения базируются на применении дифференциальных методов. Такие методы позволяют определять не абсолютные значения координат, а только их разности между интересующими нас пунктами. Вместе с тем конечными результатами создаваемой сети должны быть не только приращения, но и полные значения координат всех пунктов в той или иной координатной системе. Исходя из этого, возникает необходимость иметь в составе сети хотя бы один опорный пункт с заранее известными полными значениями всех трех координат. Такой пункт принято называть референцным. Оптимальным вариантом является наличие в составе сети трех референцных пунктов. Существуют следующие режимы работ спутниковых геодезических приемников: статический режим; ускоренный статический режим; режим измерений с возвращением; режим измерений "стою-иду"; кинематический режим измерений; кинематический режим измерений в полете; навигационный режим.

31. Составление технического проекта.

При незначительных объёмах работ и простом их техническом решении, как правило, составляют программу работ, в которую применительно к использованию глобальных навигационных спутниковых систем для выполнения съёмочных работ включают краткое изложение назначения работ, их состава, сведения об исходных данных и использовании имеющихся материалов, схемы размещения проектируемых работ, их объём и сметные расчёты. Проектирование работ выполняют в соответствии с действующими общеобязательными и ведомственными нормативными актами. Материалы технического проекта, касающиеся применения глобальных навигационных спутниковых систем для выполнения съёмочных работ, должны с исчерпывающей полнотой описывать порядок получения конечных результатов - съёмочного обоснования или плана спутниковой съёмки (полевого оригинала плана, полученного в результате съёмки ситуации и рельефа с применением глобальных навигационных спутниковых систем). Обязательным в техническом проекте является обоснование выбора масштаба съёмки и высоты сечения рельефа.

Масштабы съёмок и сечение рельефа устанавливают в зависимости от назначения и использования топографических планов, требуемой точности последующих инженерных работ (проектно-изыскательских, геолого-разведочных, гидромелиоративных и т. п.). При выборе сечения рельефа необходимо учитывать крутизну скатов. Материалы технического проекта, относящиеся к применению глобальных навигационных спутниковых систем для выполнения съёмочных работ, должны содержать текстовую, графическую и сметную части. В текстовой части проекта отражают следующие вопросы:

1) целевое назначение проектируемых работ; 2) краткая физико-географическая характеристика района работ; 3) сведения о топографо-геодезической обеспеченности района работ; 4) обоснование необходимости и способов построения планово-высотной основы и выбор масштаба съёмки; 5) организация и сроки выполнения работ, мероприятия по технике безопасности и охране труда; 6) перечень топографо-геодезических, картографических и других материалов, подлежащих сдаче по окончании работ.

Графическая часть проекта содержит: 1) схему обеспечения района работ исходными геодезическими данными, топографическими и картографическими материалами с указанием границ проектируемой съёмки;

2) проект планово-высотных геодезических построений; 3) картограмму расположения участков топографических съёмок с разграфкой листов карт и планов. В сметной части проекта приводят расчёт необходимых затрат на выполнение проектируемых работ.

32. Спутниковые измерения и их контроль.

Для всех видов спутниковых определений до и после полевых работ необходимо выполнять контрольные определения приращений координат на эталонных геодезических полигонах. При создании съемочного обоснования для топографических или кадастровых съемок, надежным способом контроля является:

сравнение результатов спутниковых определений с отметками реперов государственной нивелирной сети;

контроль допустимости фактора PDOP; связывание соседних точек обоснования при помощи полигонометрических (теодолитных) ходов; в отдельных случаях, при достаточном соотношении точностей - сравнение с пункта­ми государственной геодезической сети. При съемке ситуации и рельефа надежный контроль обеспечивают: повторными спутниковыми измерениями с применением метода реоккупации или более точного приемника или с увеличенным интервалом регистрации; прямыми линейными измерениями достаточной точности между характерными точками ситуации, на которых выполняли спутниковые определения.

33. Первичная, предварительная и окончательная обработка спутниковых измерений.

К первичной обработке относят вычисления, выполняемые непосредственно в процессе измерений. Этот этап позволяет контролировать правильность полученных отсчетов и точность единичных измерений. В случае спутниковых измерений первичная обработка выполняется непосредственно в полевых контроллерах, а контролем является наличие видимости неба, наличие необходимого числа спутников и допустимость геометрического фактора в процессе измерений, определение координат в навигационном режиме. Следующим этапом является предварительная обработка, которая выполняется с целью оперативной оценки качества измерений в ходе, сети или на отдельном объекте. По результатам предварительной обработки может быть сделан вывод о пригодности полевых материалов для окончательной обработки и получения готовой продукции, либо о необходимости переделки брака. Оперативное, до выезда бригады из района работ, выполнение предварительной обработки позволяет повысить качество полевых материалов путем отсеивания недопустимых результатов измерений и сократить затраты, связанные с полевой переделкой или дополнительными измерениями (если отбракованы исходные данные или изменена конфигурация сети). Предварительная обработка выполняется, как правило, с использованием программ, входящих в комплект спутниковых приемников.

Окончательная обработка предназначена для получения готовой продукции - каталогов координат и высот и может быть выполнена после завершения полевых работ и выезда бригад с объекта. Окончательная обработка может выполняться как с использованием программ, входящих в комплект спутниковых приемников, так и с использованием специально разработанных программ.

34. Уравнивание геодезических сетей, созданных на основе спутниковых измерений.

Процесс уравнивания выполняется с целью получения однозначных результатов и для повышения их точности. Как правило, эта задача решается по методу наименьших квадратов минимизацией выражения. Правильный выбор весов измерений приводит к повышению точности результатов уравнивания и, наоборот, ошибочно заданные веса могут привести к снижению точности геодезической сети. На практике нашли применение следующие технологические схемы: уравнивание по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников; уравнивание по специально разработанной программе; уравнивание спутниковых измерений, как сетей трилатерации.

Раздел 6. Применение спутниковых технологий для решения геодезических задач

35. Построение глобальной геодезической сети.

Систематические спутниковые наблюдения, проводимые на пунктах глобальной сети, позволяют периодически уточнять координаты этих пунктов, вычислять точные значения эфемерид наблюдаемых спутников, входящих в рассматриваемые системы позиционирования. Кроме того, они позволяют изучать геодинамические явления, происходящие в земной коре, в пределах всего земного шара, и в таких составных частях атмосферы, как ионосфера и тропосфера. Так по данным Потсдамского центра анализа, полученным с использованием GPS, смещение пунктов мировой сети за пятилетие составило 0,03 м. Точность определения координат пунктов, входящих в глобальную опорную геодезическую сеть, на начальной стадии характеризовалась средними квадратическими ошибками на уровне около 15 мм в плане и около 35 мм по высоте. По мере совершенствования методики наблюдений и обработки, отмеченные ошибки были уменьшены до 5 мм в плане и 8 мм по высоте.

36. Развитие государственной геодезической сети Российской Федерации.

На территории страны будет существовать единая по точности сеть надежно закрепленных на местности геодезических пунктов со средними расстояниями между ними порядка 30 - 35 км (средняя плотность 1 пункт на 1000 км. кв.). В этом случае любой заинтересованный потребитель, располагающий как минимум двумя двухчастотными спутниковыми приемниками, может выполнять интересующие его координатные определения дифференциальным методом относительно пунктов указанной сети. По крайней мере, один из этих пунктов всегда будет находиться на расстоянии не далее 20 - 25 км от места определений. Именно до таких расстояний полностью реализуется инструментальная точность современных спутниковых приемников при продолжительности наблюдений около часа. В менее обжитых районах плотность опорной сети может быть уменьшена до 1 пункта на 2000 км. кв. Отрицательное влияние на точность увеличивающихся расстояний между опорными пунктами и пунктами, определяемыми потребителями, можно компенсировать увеличением времени наблюдений. В малообжитых и труднодоступных районах допускается увеличение расстояний между пунктами опорной сети до 100 км. В этом случае для привязки развиваемых потребителем локальных сетей к единой государственной системе координат с требуемой точностью, возможно увеличение продолжительности наблюдений до нескольких часов и даже суток. Взаимное положение опорных пунктов должно быть известно со средними квадратическими ошибками не более 1,0--1,5 см. Такая опорная сеть в настоящее время может быть создана существующей спутниковой аппаратурой при следующих условиях:

1) создаваемая сеть будет опираться на построения более высокого уровня, обеспечивающие исключение деформаций регионального и глобального характера;

2) создаваемая сеть будет отнесена к единой для всей страны геоцентрической системе координат.

37. Создание и реконструкция городских геодезических сетей.

При создании и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых приемников необходимо учитывать следующие особенности: наличие практически во всех городах локальной системы координат, созданной с целью уменьшения расхождений при измерениях на физической поверхности и на крупномасштабных планах; необходимость сохранения городской системы координат при любых реконструкциях, переуравниваниях и других работах с целью сохранения большого количества точных (5-10 см) топографических и кадастровых планов; наличие в крупных городах специальных геодезических сетей, предназначенных для строительства метро и редуцированных, как правило, на свою поверхность относимости; наличие в ряде городов специальных геодинамических сетей, точность которых отличается от точности городских геодезических сетей.

Пункты новой сети должны быть совмещены с пунктами существующей высотной сети, определенной геометрическим нивелированием не ниже второго класса. Для математической обработки спутниковых измерений на требуемом уровне точности один пункт (желательно несколько) должен быть привязан к международной спутниковой сети с целью определения его абсолютных координат в системе WGS-84 с дециметровой точностью. Уравнивание новой сети и преобразование координат ее пунктов из WGS -84 в требуемые системы координат, например в СК-42, необходимо в пространственной системе координат. Такое уравнивание и преобразование координат обеспечит определение в каждом пункте новой сети высот квазигеоида с точностью, которой обладают спутниковые измерения. Каталог высот квазигеоида и карта, построенная на его основе, дадут возможность определить нормальные высоты других определяемых пунктов без выполнения гравиметрической съемки и тем самым снять известную высотную проблему при сгущении новой сети и ее дальнейшей эксплуатации заинтересованными организациями.

38. Решение геодинамических задач.

Геодинамика - научная дисциплина о динамических процессах, происходящих в системе "планета Земля", и о силовых полях, обуславливающих эти процессы. Основная теоретическая задача геодинамики состоит в том, чтобы, зная силовые поля, определять характер динамических процессов, происходящих под их воздействием, в теле, литосфере, и атмосфере Земли. Геодинамика, изучая динамику Земли, отчасти решает задачу определения характера силовых полей и их изменений во времени. Исходным материалом для изучения динамики Земли служат данные о фигуре (физической, гравитационной и динамической), внутреннем строении, литосфере, гидросфере и атмосфере Земли, солнечно-земные и лунно-земные связи, геогравитационное, геомагнитное, геотермическое и другие геофизические силовые поля, суточное вращение и годовое движение Земли. Для решения геодинамических задач требуется единая система отсчета - система геодезических координат ECRF и отсчета времени. В настоящее время ясно, что твердая, воздушная и водная оболочки Земли и Космос должны рассматриваться как единая динамическая система, непрерывно изменяющаяся во времени. Наиболее стабильная часть этой системы - твердая оболочка Земли - тоже подвержена заметным изменениям во времени, в особенности на дне Мирового океана и местах повышенной вулканической активности - на разломах тектонических плит.