Создание спутниковой государственной сети сгущения в Навоинской области

Размещено на http://www.allbest.ru

Размещено на http://www.allbest.ru

Введение

Современную геодезическую науку нельзя представить без современных электронных и автоматизированных геодезических приборов, которые широко используются при различных геодезических измерениях, решении большого спектра научных проблем в народном хозяйстве и обороне страны.

После обретения Республикой Узбекистан независимости, теория и практика геодезического производства получили достаточно высокий уровень развития, о чем свидетельствует применение и внедрение в народном хозяйстве и электронных геодезических приборов, современных технологий.

Анализ современного состояния геодезических работ, выполняемых с целью создания новой геодезической сети показывает, что при этом не используются современные методы и приборы геодезических измерений. Поэтому возникает необходимость в исследовании и разработке применения геодезических методов для выполнения выше-упомянутых работ. Применение современных геодезических методов и приборов при выполнении геодезических работ ускорит разработку проектов.

В Узбекистане осуществляется широкий спектр работ по сохранению архитектурного наследия прошлого. В то же время, отсутствие целенаправленной перспективной программы действий, недостаток специалистов и отсутствие совершенных методов получения необходимых размеров и чертежей, приводит к множеству проблем в процессе реставрации. В настоящее время за рубежом и у нас в стране имеются некоторые разработки по методике обследования и реставрации архитектурных памятников. Однако этот вопрос не рассмотрен в комплексе с геодезическим обеспечением обмерных работ.

Данная дипломная тема изучает одно из направлений космической, а вернее спутниковой, геодезии - использование глобальных спутниковых радионавигационных систем (СРНС) для решения геодезических задач. Это направление является наиболее распространенным и массовым в геодезическом производстве. Спутниковые приемники уже сегодня широко применяются во многих геодезических подразделениях Республики Узбекистан для обновления геодезических сетей, привязки аэрофотоснимков, топографических и кадастровых съемок и других видов работ.

1. Что такое GPS и зачем она

Лишь одно объединяет почти всех геодезистов- это то, что они не специалисты в GPS или квалифицированные геодезисты. Они используют GPS как инструмент, чтобы решить поставленную перед ними задачу. Поэтому, полезно получить некоторые основные сведения о том, что такое GPS и как она работает.

GPS - сокращение от NAVSTAR GPS, что является аббревиатурой от Глобальная Навигационная Система для Определения местоположения по Времени И Дальности.

GPS - это решение одной из самых давних и наиболее неприятных проблем человека.

Она предоставляет ответ на вопрос, «В каком месте на планете Земля я нахожусь?».

Можно вообразить, что на этот вопрос есть простой ответ. Вы можете легко определить своё местоположение относительно объектов окружающих вас на местности. Но что, если таких объектов вокруг Вас нет? Что, если Вы находитесь в сердце пустыни или на

просторах океана? В течение многих столетий, эта проблема решалась с помощью навигации по солнцу и звездам. Также, на земле, геодезисты и геологи использовали опорные геодезические пункты, от которых выполнялись измерения или поиск пути.

Эти методы помогают не всегда. Солнце и звезды не видны сквозь облака. И даже с помощью наиболее точных методов измерений нельзя с высокой точностью определить своё местоположение. После второй мировой войны, это стало очевидным Министерству обороны США, которое приступило к решению проблемы точного, абсолютного координирования. В течение следующих 25 лет были осуществлены несколько проектов и экспериментов, включая Transit, Timation, Loran, Decca и т.д. Все эти проекты позволяли определять координаты, но были ограничены по точности или функциональным возможностям. В начале 1970-ых, был предложен новый проект - GPS. Эта концепция обещала удовлетворить все потребности правительства США, а именно, необходимость в определении местоположения с высокой точностью, в любой точке земной поверхности, в любое время, в любых метеорологических условиях. GPS - это спутниковая система, которая использует созвездие из 24 спутников для обеспечения пользователя точными координатами. Теперь давайте определимся с тем, что значит «точно». Для путешественника или солдата в пустыне необходима точность 15 м.

Кораблю в прибрежных водах необходима точность 5 м. Землеустроителю необходима точность 1 см или менее. GPS может использоваться для решения всех этих задач, разница только в используемых GPS приёмниках и методик измерений.

Изначально GPS задумывалась для военного использования в любое время на всей поверхности Земли. Вскоре после того, как были сделаны первые предложения, стало очевидно, что гражданские пользователи могут также использовать GPS, и не только для персонального координирования (что было предназначено для военных). Первые две главных гражданских областей применения это морская навигация и геодезия. В настоящее время диапазон задач решаемых с помощью GPS расширился от навигации автотранспорта до автоматизации управления строительной техникой.



Рис. 1

Обзор системы GPS.

Полная структура GPS состоит из трёх различных сегментов:

1. Космический Сегмент - Спутники, облетающие по орбите Землю.

2. Сегмент Управления - Станции, расположенные вблизи от экватора, необходимые для управления спутниками.

3. Сегмент Пользователя - Любой, кто принимает и использует сигнал GPS. Космический Сегмент состоит из 24 спутников, облетающих по орбите Землю на высоте приблизительно 20 200 км каждые 12 часов. В настоящее время на орбитах находятся 26 действующих спутников.

1. Космический сегмент.

Опыт показывает, что обычно в поле зрения находятся, по крайней мере, 5 спутников, видимых большую часть суток выше 15°, а весьма часто в вашем распоряжении будет 6 или 7 видимых спутников.

А) Спутник GPS.

Каждый спутник GPS имеет несколько очень точных бортовых атомных часов (эталонов частот). Часы работают на основной частоте 10.23 MГц. Она используется для генерирования сигналов, которые передаются спутником.

Б) Созвездие спутников GPS.

Космический сегмент спроектирован таким образом, что в любой момент в вашем распоряжении будет минимум 4спутника, видимых выше 15° над горизонтом в любой точке земной поверхности. Четыре спутника - минимум, который необходим для решения большинства прикладных задач. Спутник постоянно передаёт две несущие волны. Эти несущие волны находятся в L- полосе (используемой для радиопередач), и перемещаются к земле со скоростью света. Эти несущие образуются из основной частоты, генерируемой очень точными атомными часами:

* несущая L1 передаётся в диапазоне 1575.42 МГц (10.23 X 154),

* несущая L2 передаётся в диапазоне 1227.60 МГц (10.23 X 120).

Затем несущая L1 модулируется двумя кодами. C/A кодом или кодом Грубого / Захвата с частотой 1.023 MГц (10.23/10) и Р-кодом или Точным Кодом с частотой в 10.23 MГц. Несущая L2 модулируется только одним кодом - Р-кодом с частотой 10.23 МГц.

Каждый спутник имеет свой индивидуальный код, по которому его идентифицирует приёмник. Коды могут быть также использованы как основа для измерения псевдодальностей, а по ним и вычисляются координаты.

Рис. 2. Космический сегмент



Рис. 3

1. Сегмент Управления и контроля

Сегмент Управления состоит из одной главной станции управления, 5 контрольных станций и 4 наземных антенн, равномерно распределённых вблизи экватора. Сегмент Управления отслеживает спутники GPS, обновляет их орбитальное положение и выполняет калибровку и синхронизацию их часов. Следующая важная функция - это определение орбиты каждого спутника и предсказание траектории его движения на следующие 24 часа. Эта информация загружается в каждый спутник и входит в передаваемый сигнал. Это позволяет GPS приёмнику иметь информацию о том, где может находиться каждый спутник, что пригодится для его быстрого обнаружения на небесной сфере. Спутниковые сигналы принимаются на станциях в Асценсионе, Диего Гарсия и Кваджалейне. Затем измерения отсылаются главной станции управления в Колорадо Спрингс где они обрабатываются с целью обнаружения ошибок в сигнале каждого спутника. Затем информация отсылается назад четырём контрольным станциям, оборудованным наземными антеннами, и загружается в спутники.

2. Сегмент пользователя.

Сегмент пользователя включает любого, использующего GPS приёмник для приёма сигналов GPS и определения своего местоположения и/или времени. Обычные сферы применения в пределах сегмента пользователя - это навигация транспортных средств, туризм, геодезические измерения, судовождение, воздушное передвижение, управление строительной техникой и т.д.

Координаты пользователя в СРНС определяются методом обратной пространственной линейной засечки, где измеряются искаженные погрешностями дальности от приемника до спутника. При этом спутники выполняют функцию наземных геодезических пунктов с известными координатами.

Предположим, в определенный момент времени спутник как бы замер в пространстве. Пространственные координаты каждого спутника относительно центра масс Земли можно вычислить, зная эфемериды, передаваемые спутником. Если в приемнике, местоположение (т.е. геоцентрический вектор местоположения ) которого необходимо определить, используются часы, абсолютно точно установленные по времени СРНС, то, регистрируя время, необходимое для прохождения кодового сигнала от спутника до приемника, можно определить истинные расстояния (или дальности ) до каждого спутника.

В геометрическом смысле каждая дальность дает для определения местоположения приемника сферу, центр которой совпадает со спутником. Следовательно, используя этот метод, необходимо измерить дальности лишь до трех спутников, поскольку пересечение трех сфер позволяет получить три неизвестных координаты (например, X, Y и Z). Решение может быть получено из трех уравнений дальности для каждого спутника:

.

Оборудование приемников часами, обеспечивающими требуемую высокую точность синхронизации времени (10-12 с), привело бы к существенному удорожанию их стоимости, увеличению габаритов и усложнению организации работ с ними. Поэтому в современных приемниках используется другой метод: в них устанавливаются недорогие кварцевые часы, которые лишь приближенно устанавливаются по времени СРНС.

Из-за разницы времени приемника и спутника расстояние до спутника получается меньше или больше истинного. Эту проблема решается путем измерения четырех дальностей до четырех спутников одновременно. Такие расстояния называют псевдодальностями, поскольку они равны истинным дальностям, увеличенным или уменьшенным на некоторое расстояние Дr, возникающее из-за ошибки часов приемника.

Местоположение пункта, как и ранее, можно определить линейной засечкой, но теперь для нахождения четырех неизвестных (трех координат приемника и поправки часов) требуется измерить четыре псевдодальности. Величина Дr может быть исключена путем формирования разностей псевдодальностей, измеренных с одного пункта до двух спутников или с двух разных пунктов до одного спутника.

Конфигурация спутников СРНС была спроектирована таким образом, чтобы обеспечить пользователям радиовидимость как минимум 4-х спутников в любой точке в любое время для определения своего местоположения при нормальных условиях наблюдений.

Простая навигация.

Существует несколько различных методов для получения координат с помощью GPS.

Выбор зависит от точности, необходимой потребителю и типа имеющегося GPS приёмника. Вообще говоря, методы могут быть разделены на три основных класса:

Автономная навигация - используется единственный (автономный) приёмник. Используется туристами, штурманами для навигации судов находящихся вдали от берега и военными. Точность определения координат около 100 м для гражданских потребителей и приблизительно 20 м для военных потребителей.

Дифференциальные фазовые измерения. Позволяет получить точность 0.5 - 20 мм. Используется для геодезических измерений, управления строительной техникой и т.д.

Дифференциальное координирование. Более известное как DGPS, позволяет получать координаты с точностью 0.5 - 5 м. Используется для прибрежного кораблевождения, сбора данных для ГИС (Географическая Информационная Система), в сельском хозяйстве и т. д.

Это - наиболее простая методика, которую используют GPS приёмники, для мгновенного получения координат и высоты и/или точного времени. Получаемая точность может быть выше 100 м (обычно около 30 - 50 м) для гражданских пользователей и 5 - 15м для военных. Причины возникновения столь большой разницы между гражданскими и военными пользователями приведены позже в этом разделе. Приемники, используемые для операций данного типа обычно маленьких размеров, портативные карманные устройства с низкой ценой.

Определение координат спутника.

Определение координат с помощью GPS основано на измерении расстояния от спутников до GPS приёмника, находящегося на поверхности Земли. Это расстояние до каждого спутника может быть определено GPS приёмником. Основная идея - решение обратной засечки, которую множество геодезистов используют в своей ежедневной работе. Если Вы знаете, расстояние до трёх точек относительно собственного положения, то Вы можете определить координаты точки стояния относительно этих трёх точек. По расстоянию до одного спутника, мы знаем, что положение приёмника должно быть некоторой точкой на поверхности воображаемой сферы, центром которой является спутник. Определив точку пересечения трёх воображаемых сфер, мы получим положение приёмника. Пересечение трех воображаемых сфер.

4 Проблема состоит в том, что по сигналу GPS можно определить лишь псевдодальности и время. Таким образом, для решения имеются четыре неизвестных величины: координаты (X, Y, Z) и время прохождения сигнала. Выполнив измерения сигналов от четырёх спутников, мы получим четыре уравнения, которые могут быть решены, что позволит определить эти неизвестные величины.

Для определения трёхмерного положения и времени нужны, по крайней мере, четыре спутника.

А) Вычисление расстояния до спутника.

Для того чтобы вычислить расстояние до каждого спутника используется один из законов движения Исаака Ньютона: Расстояние = Скорость x Время

Например, можно вычислить расстояние, пройдённое поездом, если Вы знаете, скорость его движения и время, в течение которого он двигался с этой скоростью. Для GPS измерений необходим приёмник, вычисляющий расстояние от приёмника до спутника.

Скорость - это скорость прохождения радиосигнала. Радиоволны распространяются со скоростью света, 290 000 км в секунду (186 000 миль в секунду).

Время - это время, затраченное радиосигналом на прохождение от спутника до GPS приёмника. Вычислить его немного тяжелей, так как необходимо знать, когда радиосигнал покинул спутник и когда он достиг приёмника.

Вычисления координат спутника:

Для эллиптической орбиты используется следующий алгоритм вычислений координат спутника на момент времени (эпоху) t:

1. Вычисление средней аномалии М по формулам:

,

где c - угловая скорость обращения спутника на орбите, Т - период обращения, ф - время прохождения через перигей, fMЗ - геоцентрическая гравитационная постоянная Земли.

2. Вычисление эксцентрической аномалии Е последовательными итерациями по формуле:

,

3. Определение радиус-вектора R спутника по формуле:

.

4. Вычисление истинной аномалии х и аргумента широты u по формулам:

.

.

5. Определение прямоугольных геоцентрических координат спутника по формуле:

.

Алгоритм и формулы упрощаются для круговых орбит, эксцентриситет которых e равен 0.

Б) Вычисление времени.

Сигнал спутника модулирован двумя кодами - C/A кодом и Р-кодом C/A код основан на сигналах времени генерируемых очень точными атомными часами. Приёмник также снабжён часами, которые используются для генерации соответствующего C/A кода. После чего GPS приёмник способен «найти соответствие» или корреляцию кода, полученного

от спутника с кодом сгенерированным приёмником. C/A код - это цифровой код, называемый «псевдослучайным», т.е. появляющийся случайным образом. В действительности он далеко не случаен и повторяется тысячу раз каждую секунду.

Таким образом, мы можем вычислить время, затрачиваемое радиосигналом на прохождение от спутника до GPS приёмника.

Источники ошибок.

До сих пор мы принимали, что координаты полученные с помощью GPS очень точны и свободны от ошибок, но это далеко не так, потому что существуют несколько источников ошибок, которые снижают точность координат полученных с помощью GPS от (теоретически) нескольких метров до нескольких десятков метров. Эти источники ошибки:

1. Ионосферные и атмосферные задержки

2. Ошибки часов спутника и приёмника

3. Переотражение

4. Геометрическое Снижение Точности

5. Избирательный Доступ (S/A)

6. Шифрование кодовых данных - Anti Spoofing (A-S)

1. Ионосферные и атмосферные задержки.

Поскольку спутниковый сигнал проходит через ионосферу, его прохождение может быть замедлено, эффект, подобный преломлению луча света проходящего через стекло. Эти атмосферные задержки могут привести к ошибке в вычислении дальности, поскольку воздействуют на скорость сигнала. (Свет имеет постоянную скорость только в вакууме).

Ионосфера не вызывает постоянной задержки сигнала. Есть несколько факторов, которые оказывают влияние на величину задержки, вызванной ионосферой.

a. Возвышение спутника. Задержка сигналов спутников находящихся низко над горизонтом будет больше, чем сигналов спутников расположенных высоко. Это происходит из-за увеличения расстояния, которое сигнал проходит через атмосферу.

Количество, на которое увеличивается плотность ионосферы, изменяется в соответствии с циклом солнечной активности. Солнечная активность достигает максимума приблизительно каждые 11 лет. В дополнение к этому могут также происходить беспорядочные солнечные вспышки, которые также воздействуют на ионосферу. Ионосферные ошибки могут быть смягчены с помощью одного из двух методов:

- Первый метод заключается в осреднении эффекта снижения скорости света, вызванного ионосферой. Этот поправочный коэффициент может быть затем применён к вычисленным дальностям. Однако в этом случае мы полагаемся на некие средние условия, а очевидно, что эти средние условия далеко не постоянны. Поэтому этот метод не оптимальное решение для уменьшения ионосферной ошибки.

- Второй метод заключается в использовании «двухчастотных» GPS приёмников. Такие приёмники измеряют сигналы GPS L1 и L2. Известно что, когда радиосигнал проходит через ионосферу то скорость его замедляется, обратно пропорционально частоте.

Следовательно, если сравнить время приёма двух сигналов, то можно точно оценить время задержки прохождения сигнала. Заметьте, что это возможно только с помощью двухчастотных GPS приёмников. В настоящее время большинство используемых приёмников одночастотные.

c. Воздействие на сигнал GPS водяных паров. Водяной пар, содержащийся в атмосфере, также может воздействовать на сигнал GPS. Это воздействие, которое может приводить к снижению точности определения координат, может быть компенсировано с помощью моделей атмосферы.

b. Плотность ионосферы, на которую воздействует солнце. Ночью влияние ионосферы весьма низкое. Днём солнце увеличивает воздействие ионосферы и замедляет сигнал.

6 . Ошибки часов спутников и приёмника.

Даже притом, что часы спутника очень точны (ошибка приблизительно 3 наносекунды), они иногда слегка уходят вперёд или назад, что вызывает небольшие ошибки, воздействующие на точность определения координат.

3. Ошибки из-за переотражения. Переотражение происходит, когда антенна приёмника установлена рядом с большой отражающей поверхностью типа озера или здания.

Спутниковый сигнал не достигает антенны по прямой, а сначала попадает на лизлежащий объект. В результате на антенну попадает отражённый сигнал, что образует ложное измерение. Переотражение может быть уменьшено с помощью специальных GPS антенн с встроенным защитным экраном (круглый, металлический диск приблизительно 50 см в диаметре), который предотвращают приём низко распространяющихся сигналов.

Антенна Choke-Ring (кольцевой дроссель). Для получения высочайшей точности, предпочтительней использовать антенну типа Choke-Ring, которая состоит из 4 или 5 концентрических колец вокруг антенного модуля, которые отфильтровывают любой не прямой сигнал. Переотражение воздействует только на высокоточные измерения, такие, например как геодезические измерения. Простые карманные навигационные приёмники не используют методы фильтрации переотражённых сигналов.

2. Ошибки часов спутников и приёмника.

Даже притом, что часы спутника очень точны (ошибка приблизительно 3наносекунды), они иногда слегка уходят вперёд или назад, что вызывает небольшие ошибки, воздействующие на точность определения координат. Министерство обороны США контролирует часы спутников с помощью Сегмента Управления и может исправить любой обнаруженный ход часов.

3. Ошибки из-за переотражения.

Переотражение происходит, когда антенна приёмника установлена рядом с большой отражающей поверхностью типа озера или здания. Спутниковый сигнал не достигает антенны по прямой, а сначала попадает на близлежащий объект. В результате на антенну попадает отражённый сигнал, что образует ложное измерение. Переотражение может быть уменьшено с помощью специальных GPS антенн с встроенным защитным экраном (круглый, металлический диск приблизительно 50 см в диаметре), который предотвращают приём низко распространяющихся сигналов. Для получения высочайшей точности, предпочтительней использовать антенну типа Choke-Ring, которая состоит из 4 или 5 концентрических колец вокруг антенного модуля, которые отфильтровывают любой не прямой сигнал. Переотражение воздействует только на высокоточные измерения, такие, например как геодезические измерения. Простые карманные навигационные приёмники не используют методы фильтрации переотражённых сигналов.

Для использования GPS необходимо чтобы в поле зрения GPS антенны находилось, по крайней мере, 4 спутника. Иногда, спутниковые сигналы могут блокироваться высокими зданиями, деревьями и т. д. Следовательно, GPS нельзя использовать в закрытом помещении. Также трудно использовать GPS в центре города или лесистой местности.

Из-за этих ограничений в некоторых случаях может быть экономически эффективней использовать тахеометр или комбинировать GPS и обычные измерения.

4. 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 спутника. Принцип может быть лучше проиллюстрирован схемами: Хорошо расположенные спутники -низкая неопределенность положения Плохо расположенные спутники -высокая неопределенность положения На определение дальности до спутника воздействуют все выше описанные ошибки. В случае, когда спутники расположены на небесной сфере достаточно широко, искомое положение может находиться в пределах заштрихованной области на схеме, и границы возможной ошибки малы. Когда спутники расположены близко друг к другу, размер заштрихованной области увеличивается, что увеличивает 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 трёхмерного положения.

GDOP - геометрическое снижение точности. Дает снижение точности трёхмерного положения и времени.

Наиболее полезный DOP - это 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,

5. Избирательный доступ (S/A).

Избирательный доступ - это процесс воздействия на GPS сигнал Министерством обороны США. Предназначен он для того, чтобы частные лица и недружелюбные иностранцы не пользовались полной точностью GPS. Воплощается воздействием на спутниковые часы техникой известной как «добавление псевдослучайного сигнала», который слегка изменяет время. К тому же передаваемые эфемериды (или траектория движения спутника) слегка отличаться от той, что в действительности. Конечный результат состоит в снижении точности определения координат. Стоит отметить, что S/A воздействует на гражданских потребителей, использующих один GPS приёмник, для получения автономного положения. На потребителей использующих дифференциальные измерения S/A существенно не воздействуют.

6. Шифрование кодовых данных -Anti-Spoofing (A-S).

Шифрование кодовых данных, подобно S/A, является намеренным с целью препятствовать доступу к Р-кодовой части сигнала GPS гражданским лицам и неприятелю и следовательно вынудить их использовать C/A код, к которому применён S/A. A-S шифрует Р-код в результате чего получается сигнал, называемый Y-кодом.

Только пользователи, имеющие армейские GPS приёмники (США и их союзники) могут расшифровывать Y-код.

Референц - станция.

Антенна референц приёмника установлена на точке с предварительно определёнными координатами. Приёмник, который установлен на подобной точке с известными координатами, называется референц - станцией или базовой станцией (базой).

После включения приёмник начинает отслеживать спутники. Затем он может вычислять координаты в автономном режиме с помощью вышеуказанных методов, Поскольку он находится на точке с известными координатам, то он имеет возможность очень точно оценить каковы должны быть дальности до различных спутников.

Поэтому базовый приёмник может определить разность между вычисленными и измеренными дальностями. Эти разности называются поправками. Базовый приёмник обычно подсоединяется к устройству для передачи данных по радиоканалу (радиомодем), с помощью которого и передаются эти дифференциальные поправки.

Ровер.

Ровер находится на другом конце этой цепочки принимая поправки. Ровер снабжён радиомодемом позволяющим принимать поправки в дальности, передаваемые базовой станцией. Ровер также вычисляет дальности до спутников, а приняв их применяет к вычисленным дальностям. Это позволяет намного более точно вычислять координаты, чем при использовании не исправленных дальностей.

Дифференциальные фазовые GPS измерения и разрешение неоднозначности.

Дифференциальные фазовые GPS измерения используются главным образом в геодезии и связанных отраслях промышленности для достижения точности относительного координирования на уровне 5 - 50 мм. Используемая методика отличается от выше описанных методов и включает большой объём статистических вычислений.

Это дифференциальная методика, суть которой состоит в том, что всегда одновременно используются минимум два GPS приёмника. Этот метод одно из ответвлений дифференциального координирования. Базовый приёмник всегда устанавливается в точке с фиксированными или известными координатами. Другой приёмник(и) свободно перемещается вокруг. Поэтому они и называются роверами. Между базовым приёмником и ровером вычисляется базовая линия.

Фаза несущей, C/A и Р коды.

Теперь полезно будет дать определения различных компонентов сигнала GPS.

Фаза несущей. Синусоидальная волна сигнала L1 или L2, которая генерируется спутником. Несущая L1 генерируется с частотой 1575.42 МГц, а несущая L2 с частотой 1227.6 МГц. Код C/A. Код грубого захвата. Модулирует несущую L1 с частотой 1.023 МГц. Р-код. Точный код. Модулирует несущую L1 и L2 с частотой 10.23 МГц.

Что такое модуляция?

Несущие волны предназначены для переноса двоичных C/A и Р кодов с помощью процесса, называемого модуляцией. Модуляция - это добавление кодов к несущей волне. Коды - это двоичные коды. Это означает, что они могут иметь значения только 1 или -1. Каждый раз в момент изменения значения кода изменяется фаза несущей.

Модуляция несущей. C/A код Несущая модулированная Р-кодом

Почему используется фаза несущей?

Фаза несущей используется, потому что с помощью неё можно более точно выполнять измерения, чем используя Р-или C/A коды. Несущая L1 имеет длину волны 19.4 см. Если мы могли бы измерить число длин волны (целую и дробную её части) между спутником и приёмником, то Вы получили бы с очень высокой точностью дальность до спутника.

Двойное вычисление разностей.

Большая часть ошибки образующейся при выполнении измерений в автономном режиме происходит из-за недостатков часов приёмника и спутника. Один из путей обойти эти ошибки состоит в том, чтобы использовать методику называемую Двойное Вычисление разностей. Если два GPS приёмника выполняют измерение до двух различных спутников, смещения часов приёмников и спутников аннулируются, тем самым удаляется любой источник ошибки, который может входить в уравнение.

Двойное вычисление разностей.

Неоднозначность и Разрешение Неоднозначности.

Для геодезиста или инженера вероятней важней всего является практика выполнения GPS измерений, нежели теоретические знания по GPS. Подобно любому инструменту, GPS приёмник настолько хорош на практике насколько умело с ним обращается оператор. Правильное планирование и подготовка к измерениям существенно влияют на успешность измерений также как и осознание возможностей и ограничений GPS.

Почему используется GPS?

GPS имеет большие преимущества по сравнению с традиционными геодезическими методами:

1. Не требуется прямая видимость между точками

2. Может быть использована в любое время дня или ночи при любой погоде.

3. Предоставляет результаты с очень высокой геодезической точностью

4. Больший объём работ может быть выполнен быстрее с меньшими трудозатратами.

После удаления ошибок часов с помощью двойного вычисления разностей, можно определить целое число длин волны несущей плюс её дробную часть между спутником и антенной приёмника. Проблема в том, что имеется множество «наборов» возможных целых длин волны для каждого наблюдаемого спутника. Таким образом, решение неоднозначно. С помощью статистических расчётов можно разрешить эту неоднозначность и определить наиболее вероятное решение. Далее мы приведём схему процесса разрешения неоднозначности. Некоторые сложные вещи в этом объяснении отсутствуют, но всё же вам будет полезно с ней ознакомиться. Код, полученный в результате дифференциальных измерений, может быть использован для получения приблизительного положения. Точный ответ должен лежать где-нибудь в пределах этого круга. Волновой фронт от отдельного спутника попадает как внутрь, так и за пределы круга. Искомая точка должна лежать где-нибудь на одной из линий, образованных этими волновым фронтом внутри круга. В случае наблюдения второго спутника, образуется второй набор волновых фронтов или фазовых линий. Искомая точка должна находится на одном из пересечений двух наборов фазовых линий. Добавим третий спутник - это позволит нам сузить круг поиска. Точка должна находиться на пересечении всех трёх фазовых линий. Добавим третий спутник. Это ещё более сузит круг поиска. Как только конфигурация спутникового созвездия изменится, появится тенденция к развороту вокруг одной из точек, которая и представляет наиболее вероятное решение.

2. Создание геодезического обоснования с применением GPS приёмников

Так как GPS становится всё более и более популярным геодезическим и навигационным инструментом, геодезистам и навигаторам необходимо понять, как GPS координаты взаимосвязаны со стандартными геодезическими системами координат.

Общая причина ошибок GPS измерений - это результат неправильного понимания этих зависимостей.

Определение координат с помощью GPS позволяет достигнуть фундаментальной цели геодезии - определение абсолютного положения с одинаковой точностью в любом месте на земной поверхности. Используя классические геодезические и топографические методы, мы всегда определяем положение относительно исходных геодезических унктов, с точностью зависящий от расстояния до этих пунктов. Поэтому GPS предоставляет существенное преимущество перед обычными методами. Наука геодезия - это основа для GPS, и, наоборот, GPS превратилась в главный инструмент геодезии. Это станет очевидным, если мы посмотрим на цели геодезии:

1. Создание и обслуживание национальных и глобальных трёхмерных геодезических опорных сетей на поверхности земли, с учётом того, что их положение изменяется со временем из-за смещений центров, закрепляющих пункты этих сетей.

2. Измерение и представление геодинамических явлений (движение полюсов Земли, приливно-отливные явления и подвижки земной коры).

3. Определение гравитационного поля земли, включая его временные изменения.

Хотя большинство потребителей никогда не коснутся любой из вышеупомянутых задач, необходимо чтобы любой использующий GPS оборудование имел общее представление о геодезии.

Система координат GPS.

Хотя Земля и может показаться однородной сферой, если взглянуть на неё из космоса, но поверхность её далека от равномерной. Т. к. GPS должна помочь определить координаты в любой точке на земной поверхности она использует систему геодезических координат, в основе которой лежит эллипсоид. Эллипсоид (также называемый сфероидом) - это сплюснутая или раздавленная сфера. Эллипсоид выбран потому, что он больше всего похож на сферу Земли. Этот эллипсоид не имеет никакой физической поверхности, но является математически определённой поверхностью. Фактически, как будет показано далее, существует много различных эллипсоидов или математических определений земной поверхности. Эллипсоид, используемый в GPS, называется WGS84 или Всемирной Геодезической Системой 1984. Точка на поверхности земли (заметьте, что это не поверхность эллипсоида), может быть определена широтой, долготой и эллипсоидальной высотой. Альтернативный метод определения положения точки - это Декартова (прямоугольная) система координат, с помощью отрезков по осям координат X,Y, и Z от начала координат или центра сфероида. Этот метод, прежде всего используемый GPS для определения положения точки в пространстве. Определение координат точки P в геодезической и Декартовой системе координат.

Преобразование прямоугольных (пространственных) координат X, Y, Z в геодезические (эллипсоидальные) координаты B, L, H.

Для обратного перехода от пространственных координат X, Y, Z к геодезическим B, L, H выполняются итерации при вычислении широты B и высоты H с использованием следующего алгоритма.

1) Вычисляется вспомогательная величина D по формуле:

.

2) Анализируют значение D:

если D = 0, то:

, ,

если D > 0, то:

;

при этом:

если , то

если , то

если , то

если , то

3) Анализируют значение Z:

если Z = 0, то

Во всех других случаях используется следующая схема вычислений:

1) Находят вспомогательные величины r, c, p по формулам:

,

,

.

2) реализуют итеративный процесс:

,

,

;

если модуль разности меньше заданного е, то:

,

.

В противном случае приравнивают s1 = s2 и вычисления повторяют, начиная с вычисления b. Значение е во все случаях принимается равным 0,0001, что обеспечивает погрешность вычисления H не более 0,003 м.

Преобразование геодезических координат B и L в плоские прямоугольные координаты x и y

Плоские прямоугольные координаты x и y с погрешностью не более 0,001 м в принятой на территории Узбекистана проекции Гаусса-Крюгера по геодезическим координатам на эллипсоиде Красовского вычисляются по формулам:

В формуле значение B выражают в радианной мере.

В формуле n - номер шестиградусной зоны в проекции Гаусса-Крюгера. Величина l вычисляется в радианной мере по формуле:

Преобразование пространственных прямоугольных координат из системы А в систему Б.

Пространственные прямоугольные координаты двух систем (А и Б), у которых отличаются начало координат, ориентирование осей и линейный масштаб, связаны следующими соотношениями:

Обратное перевычисление, из системы Б в систему А, выполняется по формулам:

где m - масштабный коэффициент при переходе от системы А к системе Б; X , Y , Z - угловые элементы трансформирования, углы вращения осей системы А, обеспечивающие их параллельность осям системы Б; X, Y, Z - линейные элементы трансформирования, смещение начала системы координат А относительно системы Б.

Приведенные выше формулы называются формулами Гельмерта, а собственно преобразование - преобразованием Гельмерта по 7-ми параметрам.

Местные системы координат.

Также, как система GPS координат, система местных координат или координат используемых для выполнения геодезических работ в различных государствах основана на местном (референц) эллипсоиде, наилучшим образом представляющим геоид в районе проведения работ. Обычно, эти координаты будут проектироваться на плоскость, для получения прямоугольных координат в зональной системе координат. Референц-эллипсоиды, используемые в большинстве местных систем координат во всем мире были определены много лет назад, ещё до появления методов космической геодезии. Создание этих эллипсоидов имело целью получить поверхность наилучшим образом представляющую интересующую территорию, но их нельзя было применять в других регионах Земли. Поэтому каждая страна определила свою собственную картографическую проекцию / пространственную систему координат, основанную на референц -эллипсоиде.

При использовании GPS, вычисляются координаты относительно эллипсоида WGS84.

Референц-эллипсоид координат обычно составлены из координат в местной системе и поэтому GPS координаты должны быть преобразованы в эту местную систему.

Всемирная геодезическая система - систем координат 1984 года (WGS-84) представляет собой общеземную систему, полученную путем уточнения доплеровской опорной системы NSWC 9Z-2 по результатам доплеровских измерений спутниковой радионавигационной системы ВМС США ТРАНЗИТ.

Начало и оси WGS-84 определяются следующим образом:

- начало координат - центр масс Земли;

- ось Z - направлена на Международное условное начало CIO, как это установлено Международным Бюро времени BIH;

- ось X - пересечение плоскости исходного меридиана WGS-84 и плоскости экватора, при этом в качестве исходного меридиана принимается нулевой меридиан, определенный BIH;

- Ось Y - дополняет правостороннюю ортогональную систему координат с началом в центре Земли и привязанную к Земле (ECEF); она расположена в плоскости экватора под углом 90 к востоку от оси X.

- WGS-84 представляет собой привязанную к Земле глобальную опорную систему, включая модель Земли, и определяется набором основных и вспомогательных параметров (табл. **).

Основные параметры определяют форму земного эллипсоида, его угловую скорость и массу Земли, которая включена в эллипсоид.

Вспомогательные параметры детально определяют модель земного тяготения (EGFM), степень и порядок которой равны n = m = 180. Данную модель применяется для расчетов высот над геоидом в системе WGS-84, компонентов нарушения тяготения WGS-84 и средних гравитационных аномалий 11 WGS-84 путем разложения на сферические гармонические функции. Разложения такой степени и порядка необходимы для точного моделирования изменений гравитационного поля Земли на ее поверхности и вблизи ее.

Табл. 1

Параметры	Обозначение	Значение
Большая полуось	a	6378137 м
Полярное сжатие	1/f	1/298,257223563
Угловая скорость		7,292115 10-5 рад/с-1
Геоцентрическая гравитационная постоянная (с учетом массы атмосферы Земли)	GM (fM)	398600,5 км3/с-2
Второй гармонический коэффициент	C20	- 484,16685 10-6

Начало координат и ориентация осей системы WGS-84 определяются координатами пяти контрольных станций системы GPS: Колорадо-Спрингс, Гавайи, Асансьон, Диего Гарсия и Кваджалейн.

Точность (1 у) координат WGS-84, выраженная через геодезические широту ц, долготу л и высоту h, равна:

- в горизонтальной плоскости уц = ул = 1 м;

- в вертикальной плоскости уh 1…2 м.

Система WGS-84 дважды уточнялась по результатам спутниковых измерений GPS (в 1994 и 1996 годах). Новые реализации WGS-84 получили обозначение WGS-84 (G730) и WGS-84 (G873), где G указывает, что координаты были получены GPS-методом, число после G указывает номер GPS-недели. В СРНС GPS уточненные реализации WGS-84 используются с 29 июня 1994 года и 29 января 1997 года соответственно.

Трансформация.

Цель трансформации состоит в том, чтобы преобразовать координаты из одной системы в координаты в другой системе. Существуют несколько различных методов трансформации. Какой из них использовать зависит от результатов, которые вам необходимы. Процесс выполнения полевых работ для определения параметров трансформации для каждого из методов один и тот же. Во-первых, необходимо иметь координаты в обеих системах координат (т. е. в WGS84 и в местной системе), по крайней мере, трёх (а лучше четырёх) общих пунктов. Чем больше общих пунктов Вы включите в вычисления, тем больше будет избыточность необходимая для выявления ошибок.

Общие пункты (т.е. пункты с координатами в обеих системах) мы получим, выполнив GPS измерения на пунктах с известными местными координатами и ортометрическими высотами (например, на пунктах существующих геодезических сетей). После этого можно вычислить параметры трансформации с помощью одного из методов трансформации. Важно отметить, что результаты трансформации должны использоваться только в зоне ограниченной общими пунктами. Для трансформации координат точек вне этой зоны вычисленные параметры использовать нельзя. Для этих точек нужно ыполнить новую трансформацию использовав лишь соответствующую часть предыдущих точек.

Трансформация имеет отношение лишь к точкам в пределах зоны ограниченной общими пунктами. Опыт показал, что точность GPS измерений, обычно, гораздо выше точности измерений, выполненных с помощью традиционных оптических приборов.

В подавляющем большинстве случаев ранее определённые координаты пунктов будут отличаться от вновь определённых с помощью GPS (более точных), что приводит к искажениям сети. Трансформируя точку из одной системы в другую лучше иметь дело с началом системы координат, а не с поверхностью, на которой находится точка. Для того чтобы трансформировать координаты из одной системы в другую должно быть известно положение относительно друг друга начала координат и осей эллипсоида. По этой информации может быть определено пространственное смещение по осям X, Y и Z начала одной системы координат относительно начала координат другой системы, затем разворот осей X, Y и Z и изменение масштаба при переходе от одного эллипсоида к другому. Несовместимость с местными координатами устраняется растягиванием или сжатием всех GPS координат с целью равномерно вписать их в систему местных координат.

Картографические проекции и координаты на плоскости.

Большинство геодезистов работают в прямоугольной системе координат. Это означает, что положение точки определяется Northings (x), Eastings (y) и ортометрической высотой (высота над уровнем моря). Картографические проекции позволяют геодезистам представлять трёхмерные криволинейные поверхности на плоском куске бумаги.

Такие картографические проекции выглядят как плоскости, но фактически определяют математический алгоритм для перевода координат с эллипсоида на плоскость. Процесс проецирования на плоскость представлен на схеме. Точки с поверхности сфероида проецируются на плоскую поверхность по направлению от центра сфероида. Схема также отражает проблему, заключающуюся в том, что невозможно перенести без искажений линии с эллипсоида на плоскость. Искажения отсутствуют только там где плоскость пересекает сфероид (точки с и g).

Методики GPS измерений.

Существует несколько методик измерений, которые могут использоваться с большинством геодезических GPS приёмников. Геодезист должен выбрать

соответствующую методику измерений, для решения поставленной перед ним задачи.

Статика - Используется для измерения длинных линий, развития геодезических сетей, изучения движений тектонических платформ и т. д. Предлагает высокую точность на длинных расстояниях, но сравнительно медленные измерения.

Быстрая статика - Используется для развития съёмочных сетй, сетей сгущения и т. д. Предлагает высокую точность на базовых линиях до 20 км - намного быстрее обычной статики.

Кинематика - Используется для топографической съёмки и для быстрого определения координат большого количества точек. Очень эффективный способ измерения большого количества близко расположенных точек. Однако если сигналы спутников преграждают различные препятствия: деревья, мосты, высокие здания и т. д., и при этом отслеживаются менее 4-х спутников, то приёмник должен быть повторно инициализирован, на что уйдёт 5-10 минут. Методика обработки называемая On-the-Fly (Непрерывно, «слёту»)) (OTF) призвана уменьшить это ограничение.

RTK - Для измерений кинематикой в реальном времени, используется радиомодем для передачи роверу спутниковых данных полученных базой. Этот способ позволяет вычислять координаты непосредственно в поле в реальном времени. Используется для того же, что и кинематика. Очень эффективный путь выполнения топографической съёмки, поскольку результаты будут получены сразу же после выполнения полевых работ. Эта методика, однако, полагается на радиосвязь, которая подвержена интерференции от других источников радиоизлучения, а также необходима прямая видимость между базой и ровером.

Статика.

Это был первый метод, разработанный для GPS измерений. Он может быть использован для измерений длинных линий (обычно 20 км (16 миль) и более). Один приёмник устанавливают на точке, координаты которой точно известны в системе WGS84. Он называется референц - станцией. Другой приёмник, расположенный на другом конце базовой линии называется ровером. Данные записываются обоими приёмниками одновременно. Важно выполнять запись данных каждым приёмником с одной и той же частотой (интервалом в записи данных). Обычно это 15, 30 или 60 секунд. Приёмники выполняют запись данных в течение некоторого отрезка времени. Этот период зависит от длины линии, числа наблюдаемых спутников и спутниковой геометрии (которую характеризует такой показатель как «снижение точности» или DOP). За правило считается, что статика должна выполняться в течение минимум 1 часа на линиях 20 км с пятью спутниками и преобладающим значением GDOP 8. Длинные линии требуют более длительного периода наблюдений. После достаточного накопления данных приёмники можно выключить. Затем ровер может перемещаться на следующую определяемую точку для измерения следующей базовой линии. Очень важно выполнить избыточные измерения в сети. Например, выполнить измерения на точках, по крайней мере, дважды или выполнить измерения дополнительных векторов, чтобы избежать проблем, которые иначе не были бы обнаружены. Намного увеличить производительность можно добавив ещё несколько роверов. Для увеличения эффективности при наличии трёх приёмников необходима хорошая координация между членами полевой бригады.

Измерения быстрой статикой.

При измерениях быстрой статикой выбирается база относительно которой работает один или более роверов. Как правило, быстрая статика используется для сгущения существующих сетей, создания съёмочных сетей и т. д. Если вам предстоит работать в районе где ранее никаких GPS измерений не производилось, прежде всего запланируйте измерения на пунктах местных геодезических сетей. Это позволит вычислить параметры трансформации и следовательно все точки определённые с помощью GPS в этом районе можно легко перевычислить в местную систему координат. Как было рассказано ранее должны быть выполнены измерения, по крайней мере, на 4-х пунктах с известными координатами по периметру района работ. Вычисленные параметры трансформации будут действительны для района охватываемого этими пунктами. База обычно устанавливается на исходном пункте, координаты которого могут быть включены в трансформацию. Если в вашем распоряжении нет никаких исходных точек, то она может быть установлена где-нибудь в пределах определяемой сети. Затем ровер перемещаясь посещает каждый из известных пунктов. Период измерений на каждой из точек зависит от длины базовой линии до базы и GDOP. Данные записываются, а затем обрабатываются в офисе. Затем, с целью выявления грубых ошибок должны быть выполнены контрольные измерения. Например, повторно от наблюдайте на точках, в другое время суток.

При работе с двумя или более роверами, необходимо чтобы они работали одновременно. Это позволит в течение обработки использовать каждый приёмник на выбор либо как базу, либо как ровер, что является наиболее эффективным способом GPS измерений, но возникают трудности в синхронизации действий операторов приёмников. Другой способ получения избыточных измерений - это установка двух базовых станций и использование одного ровера для измерения на точках.

Кинематические измерения.

Кинематическая методика обычно используется для топографической съёмки, регистрации траекторий движения транспортных средств и т. д., хотя с появлением RTK популярность этого метода уменьшается. Используется перемещающийся ровер, чьи координаты могут быть вычислены относительно базы. В начале ровер должен осуществить так называемую инициализацию, которая по существу является измерением быстрой статикой, что даёт возможность программному обеспечению в течение постобработки разрешить неоднозначность. База и ровер включаются и остаются абсолютно в стационарном состоянии в течение 5-20 минут, собирая данные. Фактическое время зависит от длины базовой линии и числа наблюдаемых спутников). После измерений ровер может свободно передвигаться. Пользователь имеет возможность выбрать: записывать координаты с предварительно установленным интервалом в записи, записывать отдельные координаты или записывать комбинацию этих данных. Эта часть измерений обычно называется кинематической цепочкой. Выполнение инициализации между ровером и базой. Затем ровер может начать движение. Координаты могут быть записаны с предопределенным интервалом … ... а также если нужно в отдельных точках Основное на чём нужно сосредоточиться при выполнении кинематических измерений - это то, что не нужно проходить с ровером слишком близко в объектам, которые могут блокировать спутниковый сигнал. Если в любой момент число отслеживаемых ровером спутников снизится до менее, чем четырёх, то Вы должны остановиться, и выйти на место, где отслеживаются 4 или более спутников и снова выполнить инициализацию перед продолжением измерений.

Кинематика on-the-fly («с лёту»). Это вариант кинематических измерений, который позволяет преодолеть необходимость инициализации и последующей переинициализации, в случае потери приёма сигналов спутников. Кинематика «с лёту» - это метод обработки измерений в течение постобработки. В начале измерений, оператор сразу же может начать движение с ровером по заданной траектории и выполнять запись данных. Если ровер во время движения окажется под деревом и потеряет приём сигналов, система автоматически повторно инициализируется.