Лекция 8. Основы спутникового позиционирования

Под позиционированием понимается определение с помощью спутниковых систем местонахождения наблюдателя или объекта в трехмерном земном пространстве.

Достоинства спутниковых систем позиционирования: глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами.

Сферы применения спутникового позиционирования:

развитие опорных геодезических сетей;

кадастровые работы;

землеустроительные работы;

тематические исследования (исследования сейсмической активности, вулканизма, движений полюсов, земной поверхности и ледников);

мониторинг природных и техногенных объектов;

геодезическое обеспечение спасательно-предупредительных работ;

навигация всех видов;

диспетчерские службы.

История развития. Первое поколение спутниковых систем разрабатывалось еще до 70-х гг. 20 в. И использовалось более 20 лет. Это NNSS (США) и ЦИКАДА (СССР).

NNSS (Navy Navigation Satellite System) разрабатывалась для ВМФ США, позже получила название TRANSIT. Находилась в эксплуатации с 1964 г., в 1967 г. Открыта для гражданского использования. Уже в 70-х гг. появились малогабаритные приемники, позволяющие определять координаты с дециметровой точностью. К 1980 г. тысячи людей во всем мире пользовались услугами этой системы. В России за период с 1984 по 1993 гг. на ее основе создана ДГС. Разработки по ЦИКАДА начаты в 1967 г., но введена в эксплуатацию только в 1979 г.

Второе поколение систем спутникового позиционирование – GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия).

GPS (Global Positioning System), параллельное название NAVSTAR (NAVigation Satellite Timing and Ranging): запуск первого блока спутников начат в 1978 г., эксплуатационная готовность объявлена в 1995 г.

ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система): разработки начаты в середине 1970-х гг., первые спутники выведены на орбиту в 1982 г., в 1993 г. официально принята в эксплуатацию, в 1995 г. открыта для гражданского использования, в 1996 г. развернута полностью.

Существуют устройства, использующие обе системы.

Навигационные спутниковые системы предназначены для определения местоположения, скорости движения, а также точного времени морских, воздушных, сухопутных и других видов потребителей. NAVSTAR и ГЛОНАСС - системы двойного назначения, изначально разработанные по заказу и под контролем военных для нужд Министерств обороны и поэтому первое, и основное назначение у систем стратегическое, второе назначение указанных систем гражданское. Исходя из этого, все действующие ныне спутники передают два вида сигналов: стандартной точности для гражданских пользователей и высокой точности для военных пользователей (этот сигнал закодирован и доступен только при предоставлении соответствующего уровня доступа от Министерства обороны). Навигационные системы являются независимыми (полностью автономными) и беззапросными (пользовательская аппаратура только принимает сигнал, не посылая запрос на спутник).

В других странах также ведутся разработки: Gallileo (Европейское сообщество), COMPASS (Китай), IRNS (Indian Regional Navigation System) (Индия).

Подсистемы спутниковых систем. Выделяют три сегмента: наземного контроля и управления, созвездия спутников, аппаратуры пользователей.

Сегмент созвездий спутников и в GPS, и в ГЛОНАСС должен состоять из 24 спутников. GPS имеет 28 спутников на 4-х орбитах с наклонением 55° и высотой 20180 км. В ГЛОНАСС пока только 18 спутников на 3-х орбитах с наклонением 64,8° и высотой 19100 км. Каждый спутник имеет по 4 атомных эталона частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи радиосигналов.

Спутники, разбитые по группам, вращаются в своих орбитальных плоскостях на неизменной средневысотной орбите, на постоянном расстоянии от поверхности Земли. Для получения сигнала в любое время, в любой точке земного шара требуется 24 спутника. Если разделить условно, то по 12 спутников на каждое полушарие. Орбиты этих спутников образуют “сетку” над поверхностью земли, благодаря чему над горизонтом всегда гарантированно находятся минимум четыре спутника, а созвездие построено так, что, как правило, одновременно доступно не менее шести. Полностью развёрнутая спутниковая система имеет также резервные спутники, по одному в каждой плоскости, для “горячей” замены (в случае выхода основного спутника из строя они могут быть оперативно введены взамен неисправного). Резервные спутники не бездействуют и также участвуют в работе системы, улучшая точность позиционирования и обеспечивая достаточную избыточность.

Сегмент наземного контроля и управления состоит из станций слежения за спутниками, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников.

Спутники GPS проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Главная станция – база ВВС в Колорадо-Спрингс (Калифорния). Точное время – обсерватория в Вашингтоне. В ГЛОНАСС Центр управления системой под Москвой.

В задачи данной подсистемы входит контроль правильности функционирования спутников, непрерывное уточнение параметров орбит и выдача на спутники временных программ, команд управления и навигационной информации. При пролёте спутника в зоне видимости станции измерения, управления и контроля, она осуществляет наблюдение за спутником, принимает навигационные сигналы, производит первичную обработку данных и производит обмен данными с центром управления системой. На главной станции происходит обработка и вычисление всех поступающих от сети управления данных их математическая обработка и вычисление координатных и корректирующих данных, подлежащих загрузке в бортовой компьютер спутника.

Сегмент аппаратуры пользователей различен в зависимости от назначения. В общем случае состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов спутников и вычисления собственных координат, скорости и времени. В простейшем случае – миниатюрный приемник с источником питания. Комплект аппаратуры для геодезических определений включает антенну, приемник, контроллер (управляющее устройство), блок питания, кабели, штативы, вешку для установки антенны, приспособление для измерения высоты антенны и пр.

Принцип определения координат основан на вычислении расстояний от точки до нескольких спутников системы глобального позиционирования. Расстояния определяются по времени, прошедшем с посылки электромагнитного сигнала со спутника до поступления его в приемник. Вычислив расстояние от спутника № 1 до приёмника, представим сферу, где центром будет спутник № 1. Вычислив расстояние от приёмника до спутника № 2, представим себе вторую сферу, где центром будет спутник № 2 область. Где эти две сферы пересекутся, и будет областью нашего предполагаемого местонахождения. Для получения более точных данных нам понадобится информация о расстоянии до спутника № 3 и одна из двух точек. Место пересечения трёх предполагаемых сфер и будет местом нашего позиционирования. Для устранения неверного решения и одновременного уточнения места позиционирования потребуется чётвертый спутник.

Задача вычисления своего местоположения пользователем является достаточно сложной, так как для вычисления собственных координат на местности необходимо вычислить координаты нескольких спутников, т.е. знать их точное местоположение относительно приёмной аппаратуры. Спутники постоянно двигаются, соответственно координаты постоянно меняются. Для оперативного просчёта и уменьшения вычислительной мощности размеров и стоимости пользовательской аппаратуры, вычисление максимально возможного объема данных было возложено на наземный комплекс управления, в котором по результатам наблюдений за спутниками просчитывается прогноз параметров орбиты в фиксированные (опорные) моменты времени и во время сеансов связи передаются на спутник. Зная предполагаемые параметры орбиты и точные координаты спутника в опорной точке можно вычислить координаты спутника в любой произвольный момент времени.

Спрогнозированные параметры орбиты и их производные называются – эфемеридами. Набор сведений, применяемых для поиска видимых спутников и выбора оптимального созвездия и, содержащих сведения о текущем состоянии навигационной системы в целом, включая “загрублённые” эфемериды, называются альманахом. Передатчики, находящиеся на спутнике в беспрерывном режиме на высокой частоте передают навигационные сообщения,содержащие эфемериды с метками времени и альманахом. Пользовательская аппаратура, принимая такое навигационное сообщение и опираясь на заложенный в памяти предыдущий альманах, максимально быстро и точно определяет собственные координаты, при необходимости выводя их на средства отображения информации.

Существует 2 способа определения дальностей: кодовый и фазовый.

Кодовый: си – служебная информация (номер спутника, координаты, статус), код – дальномерный код, L = ∆t * c (c – скорость света)

Точность кодового метода: 3-5 м

Фазовый: L = N*λ + ∆λ;(N – число целых волн) λ; – длина электромагнитной волны

Точность фазового метода: менее 1 м

Источники погрешностей в определении дальностей связаны с влиянием ионосферы, нижних слоев атмосферы, эффектом многолучевости, несинхронностью генерации сигналов на спутнике и в приемнике, препятствиями на пути сигнала.

Влияние ионосферы. На высотах от 50 до 1000 км над Землей содержатся свободные электроны и ионы. Взаимодействие электромагнитной волны и частиц ионосферы при прохождении радиосигнала порождает вынужденное колебательное движение заряженных частиц. Это приводит к изменению скорости и направления распространения электромагнитной волны. Минимизируют влияние за счет использования волн разной длины.

Влияние нижних слоев атмосферы. Скорость света постоянна только в вакууме, в атмосфере она меняется в зависимости от коэффициента преломления среды, который, в свою очередь, зависит от метеопараметров и от направления, по которому проходит сигнал от спутника (от высоты спутника над горизонтом). Чем ниже спутник, тем сильнее влияние атмосферы, поэтому при углах 10-15°, погрешность достигает 10 м, такие наблюдения выбрасывают. При измерениях вводят поправку по модели стандартной атмосферы.

Несинхронность генерации сигналов на спутнике и в приемнике. Синхронизация часов приемника производится в процессе инициализации приемника. Различают три вида инициализации: «холодный старт», «теплый» и «горячий».

Когда приемник включается впервые или при длительном времени бездействия, данные о его местоположении, сохраненные во внутренней памяти, не совпадают с актуальными. Тогда для начала выполняется поиск спутником, получение данных о состоянии и эфемерид. Затем идет определение дальностей до нескольких спутников, рассчитывается ошибка местоопределения и идет синхронизация часов. Это «холодный старт», занимает несколько минут.

«Теплый» старт: время пребывания приемника в выключенном состоянии не превышает определенного срока и альманах эфемерид не успел устареть, сразу идет измерение дальностей и синхронизация часов.

«Горячий» старт: повторное включение в течение суток, часы уже синхронизированы, альманах свежий, сразу позиционирование. Несколько секунд.

Эффект многолучевости возникает за счет отражения сигнала от земной поверхности и окружающих предметов. Погрешность может достигать 10 м при кодовых измерениях. Для защиты от влияния отраженных сигналов в приемнике реализован алгоритм сравнения нескольких сигналов, приходящих от одного спутника, и отсева наиболее слабых (многоканальность).

Препятствия на пути сигнала – крупные предметы, здания и сооружения непреодолимы для спутникового сигнала. Пространство эффективного приема значительно уменьшается в городах, лесу, горах. Фазовый способ более чувствителен, чем кодовый. Работе могут помешать мощные радиолокационные и телевизионные станции, если они расположены в радиусе 500 м. Устранить нельзя, выбирают оптимальное место наблюдения.

Способы позиционирования. Точность определения координат с помощью глобальных систем позиционирования в геодезии: мм в плане и см по высоте…Точность зависит от способа позиционирования.

Существует два способа: автономный, дифференциальный.

Два метода обработки данных дифференциального способа: режим реального времени, постобработка.

Типы приемников. Все приемники делятся на одно- и двухсистемы (принимающие сигналы только от системы GPS и от GPS и ГЛОНАСС), кодовые и кодово-фазовые, одно- и двухчастотные.

Пространственный геометрический фактор дает оценку точности местоопределения – pDOP (Dilution of Precision). p – position, h – horizontal, v - vertical

Чем меньше значение pDOP, тем точнее определение координат

p DOP < 3 – точность хорошая

p DOP < 6 – точность удовлетворительная

p DOP > 6 – точность неудовлетворительная

Решаемые задачи:

Ориентирование. Используются портативные кодовые приемники, принимающие С/А-код на частоте L₁ и Р-код на частоте L₁ и L₂. Результат отображается на экране дисплея в форме геодезических координат или в виде индекса направления.

Полевое картографирование, формирование баз данных. Обязательна возможность атрибутирования объектов съемки, подключение к средству обработки.

Геодезические измерения. Точность местоопределения – сантиметры и доли сантиметров. Комплект включает не менее 2-х специализированных приемников для измерения дальностей фазовым способом.