Относительный способ спутникового позиционирования

Космическая геодезия

для студентов и аспирантов

Методы позиционирования

Методы позиционирования делятся на две группы:

определение абсолютных координат местоположения из псевдодальностей, полученных по дальномерным кодам (C/A, P, СТ, ВТ) – автономный и дифференциальный методы;

определение приращения координат (или вектора) между пунктами, на которых установлены приемники, из псевдодальностей, полученных по измерениям фаз несущей частоты сигнала спутников – относительный метод.

Автономное позиционирование – автономное в том смысле, что координаты местоположения приемника определяются независимо от измерений, выполняемых другими приемниками. Данный метод чувствителен ко всем источникам погрешностей: погрешности в координатах спутников, влияние среды распространения и внешних воздействий, геометрический фактор. Как уже отмечалось, в GPS точность абсолютного позиционирования для гражданских пользователей составляет примерно 25-100 м по C/A-коду и примерно 30 см – для военных пользователей по P-коду. При точных измерениях автономное позиционирование используется для нахождения приближенных координат.

Принцип дифференциального позиционирования заключается в следующем. Измерения псевдодальностей выполняются по дальномерным кодам одновременно на двух (или более) пунктах: т. н. базовой станции, расположенной на пункте с известными координатами, и мобильной станции, расположенной на определяемом пункте. На базовой станции измеренные псевдодальности сравниваются с вычисленными по координатам и определяются их разности. Эти разности называются дифференциальными поправками.

Данный метод основан на предположении, что многие погрешности одинаково влияют на измерения, выполняемые на каждой станции. В самом деле, погрешности измерений по C/A-коду и возникающие из-за режима SA, на обеих станциях практически одни и те же. Влияние атмосферы на разных линиях может несколько различаться по причинам разной длины трасс и локальных неоднородностей на них. Однако экспериментальными данными установлено, что при расстоянии между пунктами менее 10 км, влияние атмосферы одинаково для обоих пунктов. Погрешности в координатах спутников также исключаются, причем в значительной мере. При погрешности координат спутников 10 м и расстоянии между пунктами 10 км разница в искажениях псевдодальностей до базовой и мобильной станций составляет 5 мм. Чем ближе расположены станции, тем точнее выполняется коррекция.

Поправки передаются на мобильную станцию, корректируя тем самым измерения, в реальном времени или учитываются в ходе вычисления координат после измерений. Передача и прием поправок в специальном формате RTCM в реальном времени выполняется при помощи специального оборудования – радиомодема. Передаваемые поправки быстро «стареют» и поэтому одновременно с поправками передают их «возраст» и данные о скорости их изменения. Точность дифференциального позиционирования около 1-5 м.

Относительный метод определения координат местоположения (относительное позиционирование) заключается в одновременном выполнении спутниковых измерений двумя (и более) приемниками.

В относительном методе через абсолютные координаты пунктов, полученные из непосредственных измерений, определяется приращение координат (пространственный вектор, baseline) между ними, которое будет свободно от ошибок абсолютного позиционирования. Таким образом, когда один приемник установлен на пункте с известными координатами, а другой – на определяемом, то пространственные координаты второго пункта определяются через вычисляемое приращение координат. В случае, когда оба приемника устанавливаются на пунктах с неизвестными координатами, определяется просто приращение координат, через которое можно вычислить расстояние и превышение между пунктами, азимут линии.

Применение относительного метода позволяет определить пространственный вектор (baseline) между пунктами с точностью 5мм + 1мм´10 -6 D, где D – расстояние между пунктами в мм.

Источник

Относительный способ спутникового позиционирования

Спутниковые определения местоположения это определения координат точек пространственных объектов или приращений (разностей) координат между точками, включающее процессы измерения (наблюдения) и обработки измерительной информации, поступающей со спутников ГНСС. Процесс спутниковых наблюдений (наблюдений навигационных спутников) включает в себя прием и первичную обработку измерительной информации от спутников ГНСС с помощью специальной спутниковой аппаратуры. Обработка данных спутниковых наблюдений (постобработка) заключается в математической обработке результатов спутниковых наблюдений по определенному алгоритму с целью вычисления координат или приращений (разностей) координат.

Существует несколько спутниковых методов определения местоположения с помощью ГНСС. Они делятся на методы определения абсолютных координат и методы определения относительных координат. Точность методов спутниковых определений местоположения приведена на диаграмме.

Методы определения абсолютных координат

Автономный метод определений — метод спутниковых определений с использованием бортовой эфемеридно-временной информации:

• Метод пространственной линейной засечки. Реализуется по измерениям кода сигналов ГНСС и вычислениям псевдодальностей до спутников (навигационный режим — navigation mode ). Автономный метод позволяет получение координат в земной геоцентрической системе или отнесенных к земному эллипсоиду в режиме реального времени. Точность определения координат автономным методом составляет в среднем 5-10 метров.

Абсолютные методы определений — методы спутниковых определений с использованием поправок к эфемеридно-временной информации:

• Метод с использованием поправок к эфемеридной и временной информации, поправок для исключения атмосферных искажений сигнала, поправок к навигационным параметрам, измеряемым потребителем (кодовые измерения). Реализуется с использованием широкозонных систем дифференциальной коррекции функциональных дополнений ГНСС (Wide area differential GNSS), таких как СДКМ, WAAS, EGNOS, MSAS, GAGAN. Точность определения координат с помощью широкозонных систем дифференциальной коррекции около 0,5 — 2 метров.
• Метод с использованием поправок к эфемеридной и временной информации, поправок для исключения атмосферных искажений сигналов ГНСС, поправок к навигационным параметрам, измеряемым потребителем (фазовые измерения) (Precise Point Positioning; PPP). Реализуется с использованием глобальных систем дифференциальной коррекции функциональных дополнений ГНСС. Точность определения координат методом PPP может варьироваться от нескольких дециметров до одного сантиметра в зависимости от способа обработки и объема выборки исходных данных.

Методы определения относительных координат

Дифференциальные методы — методы спутниковых определений с использованием корректирующей информации к навигационным параметрам, измеряемым потребителем) в режиме реального времени:

• Метод с вычислением псевдодальностей по измерениям кода сигналов ГНСС (DGPS, DGNSS). Реализуется с использованием региональных дифференциальных систем функциональных дополнений ГНСС. Точность определения относительных координат около 0,5 метров.
• Метод с вычислением псевдодальностей по измерениям фазы несущей сигналов ГНСС (Real Time Kinematic; RTK). Реализуется с использованием локальных дифференциальных систем функциональных дополнений ГНСС в режиме реального времени. Точность определения относительных координат составляет 1-5 сантиметров .

Относительные методы — методы определения разности координат при постобработке данных синхронных сеансов спутниковых наблюдений :

• Метод определения разности координат при постобработке данных синхронных сеансов спутниковых измерений кода сигналов ГНСС. При этом точность определения относительных координат составляет несколько дециметров.
• Метод определения разности координат при постобработке данных синхронных сеансов спутниковых измерений фазы несущей сигналов ГНСС. При этом можно достичь наивысшую точность спутниковых определений, вплоть до миллиметрового порядка.

Режимы спутниковых определений

При спутниковых определениях также используют несколько режимов:

Static (статический режим) — режим спутниковых определений с использованием неподвижной спутниковой геодезической аппаратуры.

Kinematic mode (кинематический режим) — режим спутниковых определений с использованием подвижной спутниковой геодезической аппаратуры.

Navigation mode (навигационный режим) — автономный режим спутниковых определений.

DGNSS (Differential mode) — дифференциальный режим спутниковых определений c использованием кодовой спутниковой корректирующей информации от дифференциальной станции в реальном времени .

RTK (Real Time Kinematic) — режим спутниковых определений c использованием фазовой спутниковой корректирующей информации от дифференциальной станции в реальном времени .

Network RTK — режим спутниковых определений c использованием интегрированной спутниковой корректирующей информации сети дифференциальных станций в реальном времени .

Postprocessing mode (режим с постобработкой) — режим спутниковых определений с вычислением координат в процессе последующей обработки.

FastStatic (Быстрый статический режим) — режим спутниковых определений аналогичный статическому с использованием только двухчастотной спутниковой геодезической аппаратуры на ограниченном расстоянии между точками спутниковых наблюдений и с постобработкой.

Reoccupation (Реоккупация) — режим спутниковых определений с повторными статическими спутниковыми наблюдениями на точках в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры и с постобработкой.

Stop&Go («Стой и иди») — режим спутниковых определений с статическими спутниковыми наблюдениями на точках в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры и с постобработкой.

Continuous kinematic («Непрерывная кинематика») — режим спутниковых определений точек в течении одного сеанса с помощью подвижной спутниковой геодезической аппаратуры и с постобработкой.

Информационный ресурс по технологиям высокоточного позиционирования с использованием Глобальных Спутниковых Навигационных Систем (ГНСС)

Источник

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