Основные принципы GPS системы при проведении крупномасштабных съемок

 

 

 

1.2.4.Дифференциальное позиционирование.

 

Геодезические приемники также можно использовать для дифференциального позиционирования (Differential Global Positing System IMPS). Дифференциальные местоположения могут вычисляться в реальном времени или с помощью методов постобработки. Для дифференциального позиционирования в реальном времени приемники фирмы Trimble используют только псевдодальности по C/A – коду.

Не следует  путать этот метод определения местоположения с обработкой базисной линии. В процессе дифференциального позиционирования для вычисления и коррекции положения  одного приемника используется псевдодальности  от двух приемников. В процессе обработке  базисной линии для вычисления положения  одного приемника относительно другого  используются результаты наблюдений фазы несущей.

В процессе выполнения дифференциального позиционирования используются координаты пункта, полученные с помощью псевдодальностей по C/A – коду или P – коду, и в эти координаты являются поправки. Эти поправки формируются опорным приемником и используются другим приемником для корректировки своего автономно определённого местоположения. Так как опорный приемник “знает” своё местоположение (он находится на станции, координаты которой известны), то он вычисляет погрешности между известными и расчётными координатами и передаёт эти разности (или поправки) на другой приемник. Предполагается, что оба приемника подвержены влиянию (приблизительно) одних и тех же значений погрешностей, возникающею за счёт геометрического фактора и синхронизации часов, и что большая область общих погрешностей устраняется за счет использования такого метода коррекции. При использовании псевдодальностей по C/A – коду точность дифференциального позиционирования, как правило, лежит в диапазоне от десятков метров до 5 метров.

 

1.2.5.Базисные линии.

Основным  режимом сбора данных в процессе GPS съемки является наблюдение базисных линий. В соответствии с простейшим сценарием, один приемник устанавливается на исходном или опорном пункте, а другой – на пункте, координаты которого неизвестны. Придерживаясь одного из методов полевых измерений (такого, как статика, быстрая статика или кинематика), следует наблюдать базисную линию в течение некоторого периода времени, после чего переместиться на следующий пункт.

Для сбора  данных по этим базисным линиям в поле можно использовать любое число  приемников, но необходимо тщательно  спланировать применение большого количества приемников таким образом, чтобы  можно было отнаблюдать, и вычислить  все представляющие интерес базисные линии.

Для вычисления положения одного приёмника относительно другого используется фазовые данные и эфемериды спутников. Вычисление осуществляются с помощью математического  комбинирования измерений, полученных различными приёмниками по различным  спутникам (в программном обеспечении  постобработки).

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.Факторы, оказывающие влияние на точность измерений.

 

Точность, обеспечиваемая GPS, может изменяться в диапазоне от нескольких сантиметров до 100 метров, в зависимости от оборудования, режима вычисления координат, метода обработки данных и других данных. Используя геодезическое – GPS оборудование пользователь может, как правило, обеспечить уровень точности порядка нескольких сантиметров.

Ниже  следует обсуждение факторов влияющих на точность местоположения, полученных с помощью относительных методов  GPS съемки.

Сигналы, поступающие от GPS спутников, могут быть умышленно искажены, что приведет к получению неточных координат. В спутниковый сигнал также может быть включена информация, которая заставит GPS приемники игнорировать сигнал.

 

1.3.1.Режим ограниченного доступа и помехозащищенность.

Глобальная Система Позиционирования была разработана Министерством  Обороны (МО) США для удовлетворения, в первую очередь, военных потребностей в навигационном средстве. На ранней стадии развитая GPS, МО США распорядилась предусмотреть возможность перекрыть доступ несанкционированных пользователей к такому военному режиму работы GPS. Результатом этой директивы являются режим Ограниченного Доступа (Selective Availability – SA) и Помехозащищенность(Anti - Spoofing - AS). К счастью, влияние SA исключается за счет использования относительных методов обработки базисных линий. Влияние режима AS не может быть исключено. Режим SA представляет собой умышленное введение ошибок в GPS измерения. Такое загрубление точности осуществляется двумя способами. Первый состоял во введении предрассчитанных ошибок в навигационные данные, передаваемые спутникам. В результате несанкционированные пользователи (пользователи, не имеющие приемников, способных нейтрализовать ошибку) вычисляют ошибочные координаты и смещения часов. В соответствие со вторым способом, изменяются показания часов самого спутника. В то время как ошибки в навигационных данных порождают плавно изменяющиеся погрешности в результатах координатных определений, скачки в показаниях часов приводят к более резкому колебанию величин погрешностей. Флуктуации показаний часов становятся очевидными при вычислениях скорости.

 Режим SA приводит к появлению значительных погрешностей в координатах скорости и времени. При отключенном режиме  SA и в отсутствие дифференциальной коррекции данных, горизонтальная точность, полученная в результате использования одночастотных кодофазовых приемников, составила около 12 м, вероятной круговой ошибки (Circular Error Probable – CEP) (30 м в течение 95% времени). В условиях действия режима SA правительство США обещает, что величина СЕР в плане составит 40 м (100 м в течение 95% времени) в отсутствие дифференциальной коррекции. Вертикальные ошибки имеют величину менее 70м 50% времени и менее 173 м 95% времени. МО США не представило никакой информации относительно точности определения скорости и времени.

К счастью, большинство последствий  ввода в действие режима SA устраняется обработкой относительных базисных линий. Поскольку в процессе обработки относительных базисных линий определяются разности измерений между приемниками и спутниками, влияние режима SA можно эффективно  устранить вследствие то, что оно (влияние) одинаково для всех пар приемник- спутник (двойные разности) в любую конкретную эпоху.

Помехозащищенность (AS)-это умышленное шифрование Р - кода. (Зашифрованный Р - код называется Y-ходом). Потеря точности вследствие действия режима (AS) в некоторой степени объясняется невозможностью определить ионосферные задержки в реальном времени. Помимо этого, так как Р - кодовые измерения являются менее зашумленными и менее подверженными интерференции (преднамеренной или нет), отказ от Р – кода приводит к более зашумленным решениям задачи определения местоположении.

В процессе обработки быстростатической  съемки действительно используется P – код. Поэтому режим AS вызывает серьезные затруднения в этом случае. Во время периодов шифрования P –кода (или действия Y-кода) обработка быстростатической съемки может проводиться с использованием методов квадрирования сигнала. В такие периоды, возможно, придется увеличить продолжительность наблюдений для получения точных результатов измерений базисных линий.

1.3.2.Работоспособность спутников.

 

Обычно  в сигнале, передаваемом спутником, содержится сообщение “работоспособен” (healthy). GPS приемники имеют средства защиты от использования неработоспособных спутников. Как правило, МО США задает “неработоспособное” состояние спутников в следующих случаях:

1. Начальные операции на орбите при первом запуске спутника. В это время проводятся проверки спутника, а орбита спутника и поведение часов еще окончательно не смоделировано.
2. Периодическое техническое обслуживание, такое, как маневры коррекции орбиты и техническое обслуживание цезиевых часов.
3. Периоды специальной проверки, особенно предшествующие времени объявления GPS полностью действующей, когда управление спутником может привести к тому, что его поведение вызовет появление весьма значительных погрешностей.
4. Исправление ненормального режима работы, когда спутник начал “искать”, и должен быть зафиксирован.

Обычно  МО США объявляет, когда спутник  будет установлен в “ неработоспособное” состояние. Такую информацию можно  получить, используя различные электронные  информационные службы (BBS), включая электронную доску объявлений по геодезии и картографии фирмы Trimble (Trimble Surveying and Mapping BBS). Статус “работоспособности” всех спутников входит в навигационное сообщение, передаваемое любым спутником. Данные эфемерид ежедневное обновляются Министерством Обороны США.

Если  спутник помечен как “неработоспособный”, GPS будут считать его “неработоспособным” до тех пор, пока не будет получено новое спутниковое сообщение. Приёмники не отслеживают “неработоспособный” спутник и не используют его в процессе вычисления местоположении до тех пор, пока пользователь специально не передаст на приемник сообщение о том, что спутник можно использовать. Это справедливо даже в том случае, если спутник возвращается в “работоспособное” состояние сразу после получения информации по эфемеридам. Приемник должен собрать информацию о новом состоянии спутника прежде, чем он вновь будет использовать сигнал этого спутника. В то время как GPS приемники не могут использовать сигнал, поступающий от “неработоспособного” спутника, программное обеспечение фирмы Trimble по планированию заданий может извлечь пользу из этой информации. Данное программное обеспечение позволяет отменить сообщение о “неработоспособном” состоянии спутника и включить его в вычисление периодов видимости спутников, как если бы он был “работоспособным”, или не учитывать информацию, поступающую от “работоспособного” спутника, если ожидается, что спутник станет “неработоспособным”.

 

 

1.3.3.Точность измерения расстояния от спутника до пользователя.

 

Значение  точности измерения расстояния от спутника до пользователя (User Range Accuracy – URA) включено в спутниковый сигнал. Это статическая величина, которая прогнозирует точность измерений, выполняемых по определенному спутнику. В случае если значение URA больше – 30, то, возможно, на данном спутнике был задействован режим SA.

 

  1.3.4.Уровень сигнала (SNR).

 

Уровень сигнала (signal strength), передаваемого спутником, называемый также отношением сигнал-шум (signal-to-noise ratio – SNR), является мерой содержания информации в сигнале по отношению к присутствующему в нем шуму. Уменьшение этой пропорции означает, что информация теряется в шуме. Качество сигнала улучшается по мере увеличения уровня сигнала (уровень сигнала, равный 14, лучше уровня сигнала, равного 8). Обычный уровень L1 сигнала, передаваемого спутника с углом возвышения 30 градусов, лежит в диапазоне от 12 до 20. Уровень L1 сигнала, превышающей 20, считается очень хорошим. Качество данных является плохим, если уровень L1 сигнала одного из спутников созвездия оказывается менее 6. Местоположение, определяемые при низком уровне сигнала, можно использовать для навигации, но не для геодезических целей.

Следует помнить, что отношение сигнал –  шум (SNR) для L2 сигнала бывает ниже, чем SNR. Для L1 сигнала и, в действительности, редко превышают 15. Для зашумленности данных следует обратить внимание на уровень U сигнала. Спутниковые OPS сигналы являются относительно слабыми. Фактически, всегда присутствующий в большинстве случаев фоновый шум оказывается “громче” GPS сигнала. При особенно слабом уровне сигнала спутника местоположения, вычисленные на основании этих измерений, следует рассматривать как приблизительные.

 Существуют  две широко распространённые  причины появления слабых сигналов. Во-первых, если сигнал достигает  антенны после прохождения такого  препятствия, как крона дерева, он, как правило, является ослабленным.  Ослабляющее воздействие кроны  можно сделать минимальным, установив  приемник таким образом, чтобы  был обеспечен свободный обзор  неба. Во-вторых, спутники, имеющие незначительное  возвышение над горизонтом, обычно, имеют более слабые сигналы  по сравнению со спутниками, расположенными  прямо над головой.

Использование спутников с низким возвышением  может также привести к ошибке многолучевого распространения (multipath error), (ошибке, возникающей в результате наличия отраженного GPS сигнала). Для того чтобы избежать вредного влияния спутников с низким возвышением, следует придерживаться рекомендуемых для съемки значений масок возвышения. Большинство съемок постобработки выполняется со значением маски возвышения равной 15 градусам, в то время как большая часть съемок в реальном времени осуществляется при значении маски возвышения равной 13 градусам. Данные спутников редко регистрируются, если возвышение спутников ниже 10 градусов.

 

 

 

 

 

 

 

 

 

1.3.5.Созвездие.

 

Созвездие (constellation) – это группа из трех или более спутников, используемых приемником для вычисления местоположения. На точность вычислений относительных базисных линий влияют как количество спутников в созвездии. Так и их положение относительно друг друга.

 

1.3.6.Количество видимых спутников.

 

Для того чтобы вычислить (с использованием псевдодальностей) трехмерное, автономное местоположение (широту, долготу, высоту и время) неизвестного пункта, пользователю необходимо отслеживать четыре спутника. Хотя трехмерное положение неизвестного пункта можно вычислить, используя  только четыре спутника, предпочтительно  осуществлять сбор данных с пяти и  более спутников, так как использование  большего числа спутников обеспечивает получение более надежного с  математической точки зрения результата определения местоположения.

В случае выполнения геодезической съемки дополнительные спутники обеспечивают получение избыточных измерений фазы несущей и предоставляют  фактор надежности для тех моментов времени, когда происходит срыв цикла. При съемке в реальном времени  для проведения автоматической инициализации  требуется пять спутников.

 

 

 

 

 

 

 

1.3.7.Фактор потери точности (DOP).

 

Фактор  потери точности (Dilution of Precision – DOP) является показателем качества определения местоположения. Этот результат вычисления, в ходе которого учитывается расположение каждого спутника относительно других, составляющих созвездие (“ геометрия”), с целью прогнозирования точности координат, полученных с помощью, данного созвездия. Низкое значение DOP указывает на хорошую геометрию спутников и высокую вероятность получения точных местоположений. Высокое значение DOP указывает на слабую геометрию спутников и низкую вероятность получения точных местоположений.