Применение GNSS в геодезии

   Однако  все не так просто. Приведенные  выше рассуждения рассматривались  для случая, когда расстояния от точки наблюдения до спутников были известны с абсолютной точностью. Разумеется, на практике всегда есть некоторая погрешность измерений («невязка») — например, из-за неточной синхронизации часов приемника и спутника, зависимости скорости света от состояния атмосферы и др. Поэтому для определения трехмерных координат GPS-приемника используются не 3, а, как минимум, 4 спутника. Получив сигнал от 4 (или более) спутников, GPS-приемник ищет точку пересечения соответствующих сфер. Если такой точки нет, процессор GPS-приемника начинает методом последовательных приближений корректировать свои часы до тех пор, пока не добьется пересечения всех сфер в одной точке.

   Координаты  подвижного абонента определяются с  помощью стандартного навигационного GPS-приемника, встроенного в терминал пользователя. Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумным усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал.  
Устройство, как правило, использует собственную миниатюрную антенну и автономно вычисляет географические координаты и всемирное время (UTC) по навигационным сигналам. GPS-приемники чаще всего применяются, если необходимо получить высокую точность координат (погрешность — не более 100 м). Захватив сигнал, навигационный приемник автоматически вычисляет координаты объекта, скорость сигнала и всемирное время, и формирует отчет. Сведения о местонахождении объекта передаются по спутниковым каналам связи в диспетчерский пункт. Навигационные устройства могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат.

   Современные GPS-устройства обычно оснащены 6-8 приемниками, что позволяет отслеживать, практически, все навигационные спутники, находящиеся в зоне радиовидимости объекта. Если каналов меньше, чем «наблюдаемых» спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание спутников. Скорость обновления навигационных данных — 1 с. Время обнаружения зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения. Определение навигационных параметров может производиться в двух режимах — 2D (двумерном) и 3D (пространственном). В режиме 2D устанавливаются широта и долгота (высота считается известной). При этом достаточно присутствия в зоне радиовидимости 3 спутников. Время определения координат в режиме 2D обычно не превышает 2 мин. Для определения пространственных координат абонента (режим 3D) требуется, чтобы в соответствующей зоне находились не менее 4 спутников. Гарантируются время обнаружения не более 3-4 мин и погрешность вычисления координат — не более 100 м.

Факторы снижения точности определения  координат 

   На  степень точности вычисления координат влияет ряд факторов, зависящих от процедуры их определения. Их принято называть факторами снижения точности. Как правило, при вычислении координат учитываются следующие стандартные факторы снижения точности:

• Геометрический фактор снижения точности (GDOP) определяет степень влияния погрешностей псевдодальности (характеризующей меру удаленности пользователя от GPS-спутника) на точность вычисления координат. Зависит от положения спутника относительно GPS-приемника и от смещения показания GPS-часов. Различие значений псевдодальности и фактической дальности связано со смещением показаний часов GPS-спутника и потребителя, с задержками распространения и другими ошибками.
• Горизонтальный фактор снижения точности (HDOP) показывает степень влияния точности определения горизонтали на погрешность вычисления координат.
• Фактор снижения точности определения положения (PDOP) — это безразмерный показатель, описывающий, как погрешность псевдодальности влияет на точность определения координат.
• Относительный фактор снижения точности (RDOP), по сути, равен фактору снижения точности, нормализованному на период 60 с.
• Временной фактор снижения точности (TDOP) описывает степень влияния погрешности показаний часов на точность определения координат.
• Вертикальный фактор снижения точности (VDOP) показывает степень влияния погрешности в вертикальной плоскости на точность определения координат.

   Кроме того, основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных  вычислений в GPS-системе, являются:

   1. Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availa-bility, S/A). Используя данный режим, Министерство Обороны США намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских лиц. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м.

   2. Погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%.

   3. Погрешности, связанные с распространением радиоволн в тропосфере. Возникают при прохождении радиоволн через нижние слои атмосферы. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А-кодом не превышают 30 м.

   4. Эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не больше 3 м.

   5. Погрешность ухода шкалы времени спутника вызвана расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

   6. Погрешность определения расстояния до спутника является статистическим показателем. Он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелирована с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.  
Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от GPS-приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания месторасположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников и предназначены наземные станции слежения, системы связи и центр управления, подчиняющиеся Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдение за всеми спутниками GPS-системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточненные элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в «альманах» и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим GPS-приемникам. Кроме того, существует еще множество специальных систем, увеличивающих точность навигации. Например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным сигналом, например, от зданий).

Режим дифференциальной коррекции

   Уменьшить ошибку в измерении координат (до нескольких см) позволяет режим так  называемой дифференциальной коррекции (DGPS — Differential GPS). Дифференциальный режим позволяет установить координаты с точностью до 5 м в динамической навигационной обстановке и до 2 м — в стационарных условиях. Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного GPS-приемника, называемого базовой станцией. Она располагается в пункте с известными координатами в том же районе, что и GPS-приемник, и дает возможность одновременно отслеживать GPS-спутники. В состав базовой станции входят: измерительный датчик GPS с антенной, процессор, приемник и передатчик данных с антенной. Станция, как правило, использует многоканальный приемник GPS, каждый канал которого отслеживает один видимый спутник. Необходимость непрерывного отслеживания каждого спутника обусловлена тем, что базовая станция должна «захватывать» навигационные сообщения раньше, чем приемники потребителей. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съемки) с измеренными координатами, контрольный GPS-приемник вырабатывает поправки, которые передаются потребителям по радиоканалу в заранее оговоренном формате. В свою очередь, потребителю необходим GPS-приемник с антенной, оснащенный процессором и дополнительным радиоприемником с антенной, который и позволяет получать дифференциальные поправки с базовой станции. Поправки, принятые от базовой станции, автоматически вносятся в результаты собственных измерений пользовательских устройств. Для каждого спутника, сигналы которого поступают на GPS-приемник, поправка, полученная от базовой станции, складывается с результатом измерения псевдодальности. Коррекция может осуществляться как в режиме реального времени, так и при «оффлайновой» обработке данных (например, на компьютере).

   Обычно  в качестве базовой станции используется профессиональный GPS-приемник, принадлежащий какой-либо компании, специализирующейся на оказании услуг навигации или занимающейся геодезией. Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между объектом и базовой станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приемнику) причинами (что обычно характерно для GPS-системы). Погрешности S/А и «уходы» шкалы времени компенсируются в дифференциальном режиме полностью. Погрешности из-за задержки сигналов в атмосфере зависят от идентичности условий прохождения сигналов к базовой станции и объекту, а, следовательно, от расстояния между ними. Эти погрешности компенсируются полностью лишь при близком расположении базовой станции и объекта. Эфемеридная погрешность также лучше всего компенсируется при небольшом удалении потребителя от базовой станции. Вседствие всех этих причин базовую станцию рекомендуется располагать не далее 500 км от объекта. Основными заказчиками дифференциальной коррекции обычно являются геодезические и топографические службы. Для частного пользователя DGPS не представляет интереса из-за высокой стоимости и громоздкости оборудования. 

 Режимы измерения, измеряемые величины

   Кодовый режим - это режим, изначально заложенный в систему. Сигнал каждого спутника содержит его эфемериды - данные о  местоположении спутника, позволяющие  вычислить координаты спутника в  земной системе координат. Кроме  того, кодовый сигнал содержит передаваемую каждые шесть секунд временную метку. Момент ухода временной метки со спутника, определенный по часам спутника, подписан на ней. Приемник захватывает сигнал спутника, идентифицирует спутник по коду его сигнала, считывает временную метку и определяет время t_r прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника. Все было бы именно так, если бы часы приемника и спутника шли синхронно. На самом деле между их показаниями в один и тот же момент времени существует ненулевая разность - относительная поправка часов. Она входит в результат определения дальности. Поэтому в данном случае дальность называют псевдодальностью. Говорят, что в кодовом, навигационном режиме измеряемой величиной является кодовая псевдодальность. Поправку часов приемника относительно часов спутника на момент наблюдений определяют как неизвестную величину из обработки результатов этих наблюдений.

   Таким образом, для каждого пункта имеется не три неизвестных - три координаты пункта - а четыре неизвестных: три координаты и поправка часов приемника. Следовательно, для мгновенного определения местоположения необходимо, чтобы на антенну приемника одновременно приходили сигналы не менее чем от четырех спутников системы. Созвездие спутников системы обеспечивает это требование.

   Фазовый режим - это режим высокоточных геодезических  измерений. В нем одновременно участвуют  по крайней мере два приемника. В  этом режиме получают координаты вектора  базы, то есть разность координат пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Ошибка определения вектора базы составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Измерения выполняют на несущей частоте сигнала спутника, освобожденного от кода процедурой квадратирования. Измеряемой величиной является мгновенная разность фаз сигнала спутника и сигнала генератора приемника. Здесь уместно сказать о терминах абсолютные и относительные определения. По более или менее сложившейся терминологии под абсолютными определениями понимают определение координат пункта, то есть работу в кодовом навигационном режиме. Под относительными определениями понимают определение местоположения одного пункта относительно другого - твердого, исходного пункта. Таков разностный фазовый режим геодезических измерений. Относительными определениями можно также назвать дифференциальный навигационный кодовый режим, когда местоположение и вектор скорости подвижного носителя определяют относительно дифференциальной станции.

   Допплеровский режим, точнее режим интегрального допплера, является как бы побочным по отношению к фазовому. Допплеровская частота пропорциональна скорости изменения фазы, поэтому допплеровскую частоту получают попутно с измерением фазы, без каких-либо дополнительных затрат. Несмотря на «бесплатность» этот режим дает богатую информацию о местоположении пункта. Следует напомнить, что первые спутниковые радионавигационные системы были исключительно допплеровскими.

   Как сказано, режимы наблюдений неразрывно связаны  друг с другом. Геодезиста более  всего интересует высокоточный фазовый режим, однако приближенные значения координат пунктов, необходимые для уравнивания, он получает из кодовых и допплеровских измерений. Перемещение по объекту и поиск исходных пунктов также очень облегчает использование кодового навигационного режима. Далее рассмотрим измеряемые величины более детально.

1. Кодовые псевдодальности