Сектор потребителя в системе GPS

Рассматриваются основные функции геодезического приемо-вычислительного комплекса сектора потребителя современных спутниковых систем.

Одним из основных секторов при работе с системой GPS является геодезический приемо-вычислительный комплекс, позволяющий решать вопросы оперативного географического местоопределения объектов.

К основным функциям находящегося в распоряжении потребителя приемно-вычислительного комплекса отнесены следующие:

• прием радиосигналов от наблюдаемых GPS спутников;
  
• организация определений регистрируемых величин;
  
• выполнение предварительной обработки полученных результатов измерений непосредственно на пункте;
  
• проведение в камеральных условиях так называемой "пост-обработки", позволяющей получить окончательные значения интересующих потребителя величин.
  

Поскольку радиосигнал от спутника до приемника проходит около 20 тыс. км, а мощность установленного на спутнике передатчика сравнительно невелика (около 10 Вт), то возникающий на выходе антенны малой величины усиливают.

В спутниковых приемниках для этого применяется супергетеродинный принцип, при реализации которого принимаемые колебания после предварительного усиления подвергаются преобразованиям, в результате которых существенно понижается частота несущих колебаний до нескольких десятков мегагерц. Образующуюся при этом промежуточную частоту часто называют частотой биений.

В качестве местного гетеродина используется высокостабильный опорный генератор, входящий в состав приемника. Необходимая для работы приемника сетка частот формируется с помощью синтезатора частот на основе использования в качестве исходных колебаний сигналов опорного генератора.
Основное усиление принимаемых сигналов осуществляется усилителем промежуточной частоты (УПЧ), подключенным к выходу преобразователя частоты.
Непосредственно с выходом УПЧ связан блок поиска и захвата, а также измерительный блок. Поиск осуществляется на основе использования кодово-корреляционных методов. Захват сигнала позволяет производить отслеживание соответствующих сигналов на протяжении всего сеанса наблюдений, в котором участвует "захваченный" спутник.

В измерительном блоке производится разделение принимаемых фазомодулированных колебаний на кодовые и чисто гармонические колебания. Здесь происходит сравнение получаемых в результате наблюдений данных с априорными их значениями на основе знания закономерности их изменения с течением времени.
Для исключения целого ряда погрешностей систематического характера, и разрешения фазовой измерениям неоднозначности наблюдения могут выполняться двумя приемниками.

Координаты спутника, или его эфемериды, передаваемые по радиоканалу в составе навигационного сообщения, характеризуются погрешностями на метровом уровне точности. Значения координат для несанкционированных потребителей искусственно "зашумляются" за счет введения специального режима SA-Selektive availability. В результате неточность знания эфемерид спутников существенно возрастает. Кроме того, на точность определения координат влияет погрешность корректировки часов, влияние атмосферы. Эти влияния минимизируются с использованием двухчастотных приемников.
Из-за наличия в значениях измеряемых расстояний до спутников существенных по величине поправок систематического характера определяемые длины линий получили название псевдодальностей.

Исходя из основополагающих принципов кодовых и фазовых методов, отмеченные значения псевдодальностей, регистрируемые непосредственно на точке стояния GPS приемника, могут быть зафиксированы только в режиме кодовых измерений. С учетом этого на практике псевдодальномерные измерения, чаще всего, отождествляют с измерениями, выполняемые на основе кодовых методов.

Основные уравнения для псевдодальномерных измерений имеют вид:

(1)

где t_р и t_s - показания часов приемника и спутника, регистрируемые в момент измерения псевдодальностей; δt_р и δt_s - уход показаний часов относительно эталонного времени на момент взятия отсчетов; с - скорость распространения электромагнитных волн в вакууме; r - топоцентрическое (геометрическое) расстояние между спутником и приемником на момент измерения псевдодальности; δR - поправка за влияние атмосферы.

При образовании первой разности исключается погрешность, связанная с уходом показаний часов на спутнике, существенно ослабляется влияние атмосферы. Однако, в этом случае возникает необходимость применения не менее двух приемников, что не только повышает стоимость используемого потребителем оборудования, но и осложняет, во многих случаях, процедуру проводимых наблюдений.

При образовании вторых разностей из результатов измерений исключаются нестабильности хода часов, как на спутниках, так и в приемниках. При этом дополнительно ослабляется влияние атмосферы. Однако нерешенной остается проблема раскрытия неоднозначностей измеряемых расстояний, т. е. нахождение количества целых циклов N. Вместе с тем при определении разности координат между пунктами, на которых установлены одновременно работающие приемники, приходится учитывать неточность знания текущих координат спутников.

При образовании третьих разностей фиксируется не абсолютные значения расстояний от приемников до спутников, а их приращения при перемещении последних по своей орбите. При этом вместо полных значений фазовых циклов N, которые соответствуют прохождению радиосигналов расстояния от спутника до приемника и представляют собой неизвестные величины, регистрируются их приращения. Приращения могут быть определены по показаниям фазоизмерительного устройства при условии непрерывного отслеживания принимаемых от спутника радиосигналов, в результате чего они становятся известными величинами.

Однако количественный анализ получаемых с помощью третьих разностей результатов свидетельствует о том, что такая процедура, предусматривающая нахождение полных значений искомых величин по их разностям, неизбежно связана с существенным понижением точности. Для оценки скорости изменения измеряемого до спутника расстояния используется в этом случае эффект Доплера.

Для разрешения неоднозначностей, характерных для спутниковых GPS измерений, используют:

• геометрический метод;
  
• метод, базирующийся на комбинации кодовых и фазовых измерений;
  
• метод поиска наиболее вероятных значений величины N;
  
• нетривиальные методы разрешения неоднозначности.
  

  В геометрическом методе после захвата радиосигнала и начала фазовых измерений непрерывно отслеживаются целочисленные изменения фазы, т. е. циклы.

  Неизвестная начальная величина N считается при этом неизменной при выполнении измерений во всех последующих точках траектории движения наблюдаемого спутника. Измерения моделируются на основе использования уравнения:
  
  

  (2)

  
  

  где N - целое число периодов изменения фазы за время прохождения радиосигналом расстояния от спутника до приемника; f - номинальное значение масштабной (несущей) частоты; N - целые числа фазовых циклов, укладывающиеся в измеряемых расстояниях от спутника S до двухточек стояния приемников; ΔN-фазовый домер; δ - временные и атмосферные задержки при прохождении радиосигналов от спутника S до приемников, установленных в двух точках стояния.
  

  Атмосферные задержки обусловлены, главным образом, влиянием ионосферы. Модельное представление такого влияния описывается приближенным соотношением, учитывающим особенность отдельных спектральных составляющих излучаемых колебаний при прохождении через ионосферу с фазовой скоростью, испытывающих ускорение:
  
  

  (3)

  
  

  где к - коэффициент, зависящий от концентрации электронов в ионосфере, от длины пути прохождения радиосигнала через ионизированную среду и от скорости электромагнитных волн в вакууме; f- частота несущих колебаний.
  Положительными факторами второго метода является независимость полученных результатов от геометрии расположения спутников, возможность его использования в кинематическом режиме с применением широкой дорожки, а также возможность разрешения неоднозначностей для базисных линий различной протяженности. Однако, в этом случае недостаточно высока надежность определения значений λ и N на основных несущих частотах и в связи с этим возникает необходимость использования двухчастотных приемников.
  

  В методе поиска наиболее вероятных значений N на основе использования одного из методов, позволяющих с повышенной точностью определять однозначные величины измеряемых дальностей (например, за счет применения метода третьих разностей), находят местоположения пунктов наблюдения, на которых установлены GPS приемники. При проведении сеанса наблюдений накапливается большой объем информации, что позволяет многократно определять длины базисной линии, соединяющей пункты, на которых установлены GPS приемники. Если методом последовательного подбора значения целых циклов N определены правильно, то разброс вычисляемых значений базисной линии будет минимальным.
  

  Основным недостатком данного метода являются систематические ошибки, вызванные отражением радиосигналов от окружающих объектов и необходимость наблюдения большого числа спутников.
  

  Для разрешения неоднозначности в четвертом методе наблюдения на выбранных пунктах производятся дважды с некоторым разносом во времени (не менее 1 -2 часов). При обработке такие данные объединяются, что позволяет не просто получить повышенный объем информации, но и использовать суммарное количество спутников с отличающейся геометрией их расположения.
  
  

  Библиографический список

  1. Басова И.А., Разумов О.С. Спутниковые методы в кадастровых и землеустроительных работах.- Тула.:Изд-во ТулГУ, 2007. - 155 с.
     
  2. Э.М.Соколов, Н.М.Качурин, И.А.Басова, В.Г.Павпертов "Геоэкологические аспекты загрязнения почвенного покрова", Москва-Тула, 2001.
     
  3. Генике А.А., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. М.:
  4. Картоиздат-Геоиздат,1999.-С. 320.
     
  5. Разумов О.С. Пространственная геодезическая векторная сеть. - Москва: Недра, 1974. - 85 с.
     
  
  
  

1. Государственный кадастр недвижимости и земельно-имущественные отношения
   
2. Мониторинг природных ресурсов и охрана окружающей среды
   
3. Комплексное использование природных ресурсов
   
4. Современные вопросы геологии
   
5. Физика горных пород
   
6. Новые технологии в природопользовании
   
7. Применение современных информационных технологий
   
8. Экономические аспекты недвижимости
   
9. Мониторинг использования объектов недвижимости