Методы ГНСС-наблюдений
Используешь GPS и ГЛОНАСС для навигации и не знаешь, как это работает?!
Ниже ты узнаешь, как приемник определяет свое местоположение по спутникам и от чего зависит точность этого определения.
Начнем с того, что в спутниковой радионавигации для определения местоположения объекта на Земле самую важную роль играет точность определения расстояния между спутником и приемником в заданный момент времени. Учитывая, что спутники постоянно перемещаются по орбите высотой около 20000 км над поверхностью Земли, крайне сложно зафиксировать это расстояние с высокой точностью.
Чтобы его вычислить достаточно знать скорость и время прохождения радиосигнала, который излучает спутник. Скорость распространения сигнала будем считать равной скорости света. А вот зафиксировать точное время излучения и время его приема проблематично из-за высокой скорости распространения. Для решения этой задачи было решено синхронизировать спутники и приемники так, чтобы в каждый момент времени на них генерировался одинаковый по содержанию сигнал.
Внутри радиосигнала содержится информация о координатах спутников, а также поправка в часы. В совокупности все это называется Навигационным сообщением (НС).
В зависимости от типа этого радиосигнала используют 2 способа определения дальности: по измерениям кода или фазы несущей, которые отличаются по своей природе и по точности вычисленного решения.
Что представляет из себя код? Это последовательность нулей и единиц, подобранная таким образом, чтобы набор цифр выглядел совершенно случайным. Естественно он вовсе не случайный, а тщательно продуманный, поэтому называется псевдослучайной последовательностью.
В навигационных системах GPS и ГЛОНАСС реализуется свое системное время, по которому и происходит синхронизация спутника и приемника. Итак, в момент времени t0 спутником излучается кодовый сигнал. В этот же момент времени приемник генерирует точно такой же код, и принимает радиосигнал от спутника в момент t1. Совмещая эти последовательности приемник рассчитывает время выхода сигнала и время его прохождения от спутника до приемника dt. Таким образом по времени и скорости вычисляется псевдодальность.
Если бы стандарты времени на спутнике и приемнике совпадали, а все возможные ошибки были учтены, то получилась бы просто дальность. Но часы приемника менее точные, поэтому в расчет расстояния входит как минимум ошибка хода часов (синхронизации времени), отсюда и появляется приставка «псевдо».
Точность совмещения псевдослучайных последовательностей приемника и спутника равна длине символа, а это 3 м для гражданского C/A — кода и 0,3 м для защищенного P-кода, поэтому рассчитать псевдодальность точнее этих величин не получится.
Гораздо более высокой точности можно добиться, измеряя фазу радиосигнала со спутника (т.н. «фаза несущей»). Длина волны на частоте L1 = 19 см, а фаза этой волны колеблется в пределах 360°, получается, что математически возможно вычислить псевдодальность с субмиллиметровой точностью. По аналогии с кодовым сигналом на спутнике и приемнике генерируются фазомодулированные сигналы, только они никак не синхронизированы. Вычислением смещения фазомодулированного сигнала, переданного со спутника на приемник, определяется дробная часть фазы.
Основная проблема – найти целое число длин волн, так как волны не отличаются друг от друга. Задача по поиску числа целых фаз называется решением фазовой неоднозначности, и решается через системы уравнений. Приблизительное решение позволяет перейти в плавающий режим, а однозначное решение – в фиксированный. Именно при фиксированном решении рекомендуется производить измерения.
А теперь рассмотрим, как знание псевдодальности поможет отыскать координаты приемника. Различают 2 метода наблюдений: абсолютный и относительный.
Абсолютный метод характеризуется самостоятельным определением положения приемника по пространственной засечке. Чтобы ее реализовать необходимо знать величину псевдодальности и координаты как минимум 4х спутников. Псевдодальность вычисляется по коду либо по фазе, а координаты спутников передаются в навигационном сообщении от каждого из них. Таким образом рассчитываются неизвестные координаты X, Y, Z и поправка часов dt приемника.
Абсолютный метод основан на измерениях по коду, поэтому точность зависит от качества кварцевого генератора времени приемника и составляет 3-15 м. Применяется этот метод в низкоточной навигации (мониторинге транспорта, судов и пр.).
Для уточнения данных можно использовать различные дифференциальные сервисы, работающие по технологии PPP (Precise Point Positioning). Такие сервисы (RTX, Atlas, TerraStar) передают предрассчитанную корректирующую информацию (точные эфемериды и уходы часов), чтобы приемник смог вычислить свое местоположение с субдециметровой точностью. Здесь в качестве канала доставки корректирующей информации могут использоваться геостационарные спутники или сеть Интернет. Однако существует ряд ограничений: приемник обязательно многочастотный, наблюдения должны проводиться не менее часа, а подписка на эти сервисы платная.
В относительном методе задействовано минимум 2 приемника, один из которых находится на пункте с известными координатами (База), а второй на определяемом (Ровер). В данном случае по разнице координат, определенных Базовым приемником по спутникам и введенных вручную известных координат этого пункта, рассчитывается поправка в псевдодальность. Эта поправка передается на Ровер (на определяемом пункте) и корректирует его измеренные псевдодальности для уточнения определения местоположения.
Относительный метод, реализуемый по кодовым измерениям, называют также дифференциальным или DGPS. Точность такого метода субметровая (50-80 см), однако поправка в псевдодальность может быть передана на расстоянии 200-300 км. Поэтому метод DGPS активно используется в морской навигации, сельском хозяйстве и ж/д мониторинге.
Использование относительного метода по измерениям фазы несущей позволяет достигать сантиметровой точности. Только этот метод подходит для решения геодезических задач. По характеру движения это могут быть и статика, и кинематика. Статика реализуется в измерении конкретной точки, когда на пункте в течение нескольких эпох собираются и усредняются данные со спутников. Кинематика же – создание траектории движения приемника. Причем в соответствии с фильтрами, определяющими неподвижен приемник или перемещается, обработка этих данных происходит по различным алгоритмам. В общем случае, увеличение точности связано с длительностью измерений, а также с условиями съемки.
Отдельно хотелось бы сказать, что способ обработки данных находится вне классификации, так как к любому методу наблюдений применимы и постобработка, и определение координат в реальном времени. Однако для постобработки понадобятся компьютер и специализированная программа для обработки измерений. В реальном времени обработка происходит сразу в управляющем микропрограммном обеспечении ГНСС-приемника с использованием корректирующей информации.
Таким образом, в зависимости от задачи, ожидаемой точности и возможностей оборудования подбирается метод наблюдения. Естественно, каждая отдельная задача требует определенного подхода, учета всех нюансов наблюдения, а также подготовки. В этой же статье мы хотели обобщить информацию и преподнести ее простым языком. Надеемся, после ее прочтения Вы узнали больше.
Источник
Тренировочные тесты
Выберите тип спутниковой аппаратуры в зависимости от места спутниковых измерений.
Выберите тип спутниковой аппаратуры в зависимости от вида принимаемого сигналов.
Какова аппаратурная точность кодовой спутниковой аппаратуры.
Какова аппаратурная точность фазовой спутниковой аппаратуры.
Какова точность навигационных спутниковых приемников.
Чем отличается топографическая спутниковая аппаратура от геодезической.
Чем отличается модульная спутниковая аппаратура от моноблочной.
Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от используемых СРНС.
Минимальное количество приемников при абсолютном способе определения координат.
Минимальное количество приемников при относительном способе определения координат.
Выберите режим выполнения спутниковых измерений при определении координат и их вводе в ГИС.
Выберите режим для высокоточных спутниковых измерений.
Каковы ограничения на длину базовой линии для одночастотной спутниковой аппаратуры.
Выберите способ определения координат пунктов с помощью спутниковых измерений.
Что такое базовая линия.
Что такое независимые базовые линии.
Вычисленные по формуле
Линии эталонного базиса
Может ли пункт с утраченным центром быть включенным в спутниковую сеть.
Можно ли включать пункт в сеть, если имеются препятствия на угле возвышения более 15°.
На какое количество исходных геодезических пунктов должна опираться спутниковая сеть.
Что такое планирование спутниковых измерений.
Определение времени измерений
Определение сроков работ
Определение стоимости работ
Что показывает диаграмма препятствий.
Что такое Альманах.
Каково минимальное количество наблюдаемых спутников в абсолютном способе
С какой стороны нужно устанавливать антенну от опоры ЛЭП при ее координировании.
С какой точностью измеряются углы наклона при инструментальной съемки препятствий.
На какое количество точек необходимо измерить азимуты и углы наклона, если препятствием является дерево.
Какие формы диаграммы препятствий Вы знаете.
Можно ли один из двух сеансов спутниковых измерений выполнять в другой день.
В каком режиме осуществляется поиск пункта на местности.
Ввода путевой точки
Какую клавишу нужно нажать, чтобы измерить координаты найденного пункта на местности.
Может ли использоваться кодовый навигационный приемник в ГИС.
Когда задается система координат при обработке спутниковых измерений.
При создании проекта
При редактировании измерений
Для чего конвертируют файлы полевых измерений в формат RINEX.
Для импорта файлов в проект
Для редактировании измерений
Какие основные параметры обработки базовых линий необходимо задать.
Какой тип решения базовых линий Вы получите, если показатель Ratio будет меньше 1.5..
Что можно сказать о качестве выполненных измерений, если отношение дисперсий (R. V.) больше 1.
Хуже чем ожидалось
Каково минимальное количество пунктов должно быть зафиксировано при ограниченном уравнивании.
Сколько пунктов должно быть зафиксировано при минимально ограниченном уравнивании.
Источник
Минимальное количество приемников при относительном способе определения координат
ГОСТ Р 53607-2009
НАЦИОНАЛЬНЫЙ СТАНДАРТ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
Глобальная навигационная спутниковая система
МЕТОДЫ И ТЕХНОЛОГИИ ВЫПОЛНЕНИЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ И ЗЕМЛЕУСТРОИТЕЛЬНЫХ РАБОТ
Определение относительных координат по измерениям псевдодальностей
Global navigation satellite system. Мethods and tecnologies of geodetic and cadastral works execution. Determination of relative coordinates by pseudo-range measurements. Basic principles
Дата введения 2011-01-01
Цели и принципы стандартизации в Российской Федерации установлены Федеральным законом от 27 декабря 2002 г. N 184-ФЗ «О техническом регулировании», а правила применения национальных стандартов Российской Федерации — ГОСТ Р 1.0-2004 «Стандартизация в Российской Федерации. Основные положения»
Сведения о стандарте
1 РАЗРАБОТАН 29-м Научно-исследовательским институтом Министерства обороны Российской Федерации
2 ВНЕСЕН Техническим комитетом по стандартизации ТК 363 «Радионавигация»
4 ВВЕДЕН ВПЕРВЫЕ
Информация об изменениях к настоящему стандарту публикуется в ежегодно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты», а текст изменений и поправок — в ежемесячно издаваемых информационных указателях «Национальные стандарты». В случае пересмотра (замены) или отмены настоящего стандарта соответствующее уведомление будет опубликовано в ежемесячно издаваемом информационном указателе «Национальные стандарты». Соответствующая информация, уведомление и тексты размещаются также в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет
1 Область применения
Настоящий стандарт распространяется на методы и технологии выполнения геодезических и землеустроительных работ с использованием аппаратуры потребителей глобальной навигационной спутниковой системы.
Настоящий стандарт устанавливает методы определения относительных координат заданного пункта по измерениям псевдодальностей навигационного космического аппарата глобальных навигационных спутниковых систем.
2 Нормативные ссылки
В настоящем стандарте использованы ссылки на следующие стандарты:
ГОСТ Р 52457-2005 Глобальная навигационная спутниковая система. Аппаратура потребителей. Классификация
ГОСТ Р 52928-2008 Система спутниковая навигационная глобальная. Термины и определения
ГОСТ 22268-76 Геодезия. Термины и определения
Примечание — При пользовании настоящим стандартом целесообразно проверить действие ссылочных стандартов в информационной системе общего пользования — на официальном сайте Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии в сети Интернет или по ежегодно издаваемому информационному указателю «Национальные стандарты», который опубликован по состоянию на 1 января текущего года, и по соответствующим ежемесячно издаваемым информационным указателям, опубликованным в текущем году. Если ссылочный стандарт заменен (изменен), то при пользовании настоящим стандартом следует руководствоваться заменяющим (измененным) стандартом. Если ссылочный стандарт отменен без замены, то положение, в котором дана ссылка на него, применяется в части, не затрагивающей эту ссылку.
3 Термины и определения
В настоящем стандарте применены термины по ГОСТ 22268, ГОСТ Р 52457, ГОСТ Р 52928 и следующие термины с соответствующими определениями:
3.1 геодезические работы: Комплекс технологических процессов, осуществляемых для определения параметров фигуры и гравитационного поля Земли, координат точек земной поверхности и их изменений во времени.
3.2 землеустроительные работы: Комплекс технологических процессов, осуществляемых для установления, восстановления и закрепления на местности границ земельных участков, определения и оформления их местоположения и площади.
3.3 псевдодальность кодовая: Произведение скорости распространения сигнала в вакууме на разность между временем приема сигнала по шкале времени аппаратуры потребителя и временем передачи этого сигнала с НКА по бортовой шкале времени.
3.4 псевдодальность фазовая: Произведение длины волны несущей частоты на разность фазы сигнала, созданного в приемнике в момент приема сигнала по шкале времени аппаратуры потребителя, и фазой сигнала, созданного на НКА по бортовой шкале времени.
3.5 координаты пункта: Прямоугольные координаты , , пункта в общеземной геоцентрической системе координат.
3.6 локальная дифференциальная подсистема ГНСС: Дифференциальная подсистема ГНСС, в которой дифференциальные поправки используют в пределах от 50 до 200 км от контрольно-корректирующей станции дифференциальной подсистемы ГНСС (опорной станции).
3.7 относительные координаты пункта: Координаты определяемого пункта наблюдения относительно опорного пункта с известными координатами.
3.8 региональная дифференциальная подсистема ГНСС: Дифференциальная подсистема, в которой дифференциальные поправки используют в пределах от 400 до 2000 км от контрольно-корректирующей станции дифференциальной подсистемы ГНСС (опорной станции).
3.9 широкозонная дифференциальная подсистема ГНСС: Дифференциальная подсистема ГНСС, в которой дифференциальные поправки используют в пределах от 2000 до 5000 км от контрольно-корректирующей станции дифференциальной подсистемы ГНСС (опорной станции).
4 Обозначения и сокращения
В настоящем стандарте использованы следующие обозначения и сокращения:
ВГС — высокоточная геодезическая сеть;
ГАЛИЛЕО — глобальная навигационная спутниковая система Европейского космического агентства;
ГГС — государственная геодезическая сеть;
ГЛОНАСС — глобальная навигационная спутниковая система Российской Федерации;
ГНСС — глобальная навигационная спутниковая система;
ГСП — глобальная система позиционирования;
НКА — навигационный космический аппарат;
ОП — опорный пункт;
ПН — пункт наблюдения;
ФАГС — фундаментальная астрономо-геодезическая сеть;
GPS — глобальная навигационная спутниковая система Соединенных Штатов Америки.
5 Основные положения
5.1 В основе всех методов определения координат пунктов наблюдения с использованием ГНСС лежит метод засечки положения аппаратуры потребителя (мобильного приемника) от известных положений НКА. Геометрия определения координат ПН относительно ОП показана на рисунке 1.
5.2 Определение относительных координат по измерениям псевдодальностей выполняется одним из двух методов: дифференциальным или относительным.
В дифференциальном методе по результатам наблюдений на опорном пункте формируются дифференциальные поправки к соответствующим параметрам наблюдений для определяемого пункта. Этот метод обеспечивает оперативное определение координат ПН (в реальном масштабе времени). В качестве ОП используются пункт локальной, региональной или широкозонной дифференциальной подсистем ГНСС. Выбор подсистемы зависит от удаленности ПН от ОП.
В относительном методе наблюдения, выполненные одновременно на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. При этом определяются приращения координат ПН относительно ОП. Определение координат ПН может проводиться в статическом режиме, позволяющем выполнять продолжительные сеансы наблюдений.
5.3 При выборе метода и технологии определения относительных координат по измерениям псевдодальностей учитываются требования к точности геодезических и землеустроительных работ.
1) В настоящее время приняты следующие ориентировочные требования к точности определения относительных координат:
геодинамические исследования, мониторинг сейсмических районов — (1-5) мм;
создание государственной геодезической сети ГГС (ФАГС, ВГС, специальные сети) — 1 см во взаимном положении пунктов ФАГС;
составление кадастровых карт при землеустройстве, межевание — (3-5) см;
водный кадастр, геодезическое обеспечение инженерных сооружений, мелиорация — (3-5) см в плане, (3-5) мм по высоте;
кадастр населенных пунктов, геодезическое обеспечение строительства, геодезический контроль сооружений — (1-2) см вынос точки в натуру, (1-3) мм контроль стабильности сооружений;
кадастр сельскохозяйственных земель, межевание — (3-10) см;
лесной кадастр, межевание — (0,1-0,5) м.
2) Дифференциальный метод определения относительных координат по кодовым псевдодальностям в настоящее время обеспечивают точность 0,5 м, по фазовым псевдодальностям от 1 до 500 мм. Относительный метод по фазовым псевдодальностям обеспечивает точность от единиц миллиметров до нескольких сантиметров.
5.4 Навигационная аппаратура потребителя, используемая для определения относительных координат по измерениям псевдодальностей при выполнении геодезических и землеустроительных работ, должна отвечать следующим требованиям:
работать по сигналам ГЛОНАСС и/или GPS и ГАЛИЛЕО;
по условиям применения (стационарная для опорных пунктов, переносная для работы на определяемых пунктах);
по количеству каналов обработки сигналов — многоканальная;
по точностным возможностям (с точностью определения относительных координат от нескольких дециметров до нескольких миллиметров);
по виду обрабатываемых сигналов (работающая в одно- и двухчастотном режимах);
по режимам измерений (кодовые и фазовые измерения).
Один из приемников аппаратуры потребителя располагается на ОП с известными координатами, а второй — на определяемом ПН.
5.5 Точностные возможности определения относительных координат по измерениям псевдодальностей зависят от:
метода обработки измеренных псевдодальностей;
погрешности шкалы времени аппаратуры спутника и потребителя;
погрешности бортовых эфемерид;
инструментальной ошибки аппаратуры спутника и потребителя;
ионосферной и тропосферной задержки сигнала;
удаленности определяемого пункта от опорного;
от числа НКА ГНСС, наблюдаемых на опорных и определяемых пунктах;
от геометрии расположения спутников.
5.6 Для математического описания измеренной кодовой псевдодальности 
с ПН до -го НКА используется уравнение вида:
, (1)
Источник
