Специфика проведения псевдодальномерных и фазов

Специфика проведения псевдодальномерных и фазовых измерений

При выполнении спутнико­вых GPS измерений используются, в основном, кодовые и фазовые методы.

При этом 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.

Что касается фазовых измерений, относящихся к несущим колеба­ниям, то полное значение определяемого до спутника расстояния реа­лизуется только после разрешения неоднозначности (т.е. нахождения целого числа длин волн, укладывающихся в измеряемом расстоянии), которое удается произвести только после того, как из результатов из­мерений исключаются практически все значительные по величине по­правки. При такой процедуре значения подверженных различным вли­яниям псевдодальностей, базирующихся на фазовых методах, как пра­вило, не фиксируется. С учетом этого, в дальнейшем, под псевдодаль-номерными измерениями будем подразумевать измерения, выполняе­мые на основе использования кодовых сигналов.

Поскольку при работе геодезических GPS приемников применяются как псевдодальномерные, так и фазовые методы, то рассмотрим, вкрат­це, их специфические особенности. К таким особенностям могут быть отнесены способы регистрации определяемых величин, а также специ­фика их дальнейшей обработки.

К одной из характерных особенностей псевдодальномерных (ко­довых) измерений следует отнести тот факт, что при их выполнении непосредственно в приемнике удается зафиксировать время распрост­ранения радиосигнала на основе знания момента излучения и опреде­ления момента приема этого сигнала (более подробно эта процедура изложена в следующем подразделе).

При умножении упомянутой ве­личины на скорость распространения сигнала получают искомое од­нозначное значение псевдодальности. Для получения интересующей потребителя величины геометрического расстояния между спутником и приемником в регистрируемое значение псевдодальности вводят со­ответствующие поправки, методика определения которых была изло­жена в предыдущем подразделе. Поскольку кодовые сигналы переда­ются со спутника посредством модуляции несущих колебаний, то для них характерна групповая скорость распространения, что приходится учитывать при определении временных задержек радиосигналов при их прохождении через такую диспергирующую среду, как ионосфера.

Отличительная особенность фазовых измерений, относящихся к не­сущим колебаниям, заключается в том, что при их выполнении фикси­руется фаза колебаний промежуточной частоты, которая однозначно связана с фазой несущих колебаний, причем непосредственно время излучения и приема отмеченных колебаний при снятии отсчетов в при­емнике в расчет не принимается.

В результате выполнения таких изме­рений удается зафиксировать только последние цифры в значении из­меряемого до спутника расстояния в пределах одной длины волны не­сущих колебаний. Предыдущие цифры определяют в процессе разре­шения неоднозначности, который, как уже отмечалось ранее, базиру­ется на использовании дифференциальных методов и выполняется на базе полевой партии. При учете влияния ионосферы используется фа­зовая скорость распространения радиосигналов, причем методы оп­ределения таких поправок, в большинстве случаев, основываются на применении различных несущих частот.

Большинство характерных для фазовых измерений поправок стре­мятся исключить за счет применения соответствующих дифференци­альных методов.


Принцип измерения псевдодальностей и практическое использование данного метода

Основным показателем таких измерений являет­ся разность между моментом передачи кодовой посылки (при отсчете может принимать как положительные, так и отрицательные значения.

При характерном для спутниковых измерений методе в процессе проведения сеанса наблюдений накапливается боль­шой объем измерений. В результате при вычислении средних значе­ний влиянием данной компоненты на завершающей стадии, как пра­вило, пренебрегают.


Первые, вторые и третьи разности, базирующиеся на фазовых измерениях несущих колебаний

Первые разности

Рассмотрим, вначале, метод одновременных наблюдений одного спутника GPS с использованием двух GPS приемников, установлен­ных на разнесенных пунктах наблюдения А и В.

Такой вид наблюдений получил название метода образования раз­ности фазовых измерений между станциями, который относится к так называемым первым разностям.

Основная характерная особенность данного метода состоит в том, что обработка результатов измерений производится на основе использования фазовых сдвигов, получаемых



При образовании первой разности удается целиком исключить погрешность, связанную с уходом показаний часов на спутнике. Вместе с тем существенно ос­лабляется влияние атмосферы, так как в данном случае возникает не­обходимость учета не абсолютных значений задержек радиосигналов в атмосфере, а их разностей.

Наряду с перечисленными положительными качествами следует от­метить также и негативные стороны такого метода. В частности, воз­никает необходимость применения не менее двух приемников, что не только повышает стоимость используемого потребителем оборудова­ния, но и осложняет, во многих случаях, процедуру проводимых на­блюдений. Следует заметить, что этот недостаток свойственен всем дифференциальным методам спутниковых измерений. Применитель­но к рассматриваемому методу остаются также неучтенными поправ­ки, связанные с неточностью взаимных показаний часов двух прием­ников, которые по своим точностным показателям существенно усту­пают часам, установленным на спутнике (в GPS приемниках в подав­ляющем большинстве случаев вместо высокостабильных атомных опорных генераторов используются более дешевые, но менее стабиль­ные кварцевые генераторы). Для преодоления последнего недостатка проанализируем другой принцип организации первой разности, кото­рый получил название разности фазовых измерений между спутника­ми. При реализации данного принципа с помощью приемни­ка, установленного в точке А, одновременно наблюдается не менее двух спутников Sj и Sk.



Характерная особенность этого метода заключается в образовании разности результатов фазовых измерений при одновременных наблю­дениях одним приемником двух спутников.

Отличительная особенность этого метода состоит в том, что удает­ся нацело исключить поправки, обусловленные неточностью показа­ний часов приемника, но не исключенными при этом оказываются по­грешности показаний часов на спутнике.

На основе совместного рассмотрения этих двух разновидностей пер­вых разностей был предложен вариант дифференциальных измерений, получивший название метода вторых разностей.

Вторые разности

Этот метод нашел наиболее широкое практическое распростране­ние при выполнении высокоточных геодезических измерений. Сущ­ность данного метода состоит в том, что измерения производятся не менее, чем двумя приемниками, с помощью которых наблюдаются не менее двух спутников/



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.

Воз­можность устранения с помощью вторых разностей основного недостатка одностороннего принципа дальномерных измерений, заключа­ющегося в необходимости учета несинхронности работы опорных ге­нераторов на передающем и приемном концах измеряемой линии, обусловила тот факт, что данный метод стал основным вариантом диф­ференциальных измерений при высокоточных спутниковых GPS оп­ределениях.

Дальнейший поиск путей разрешения свойственных фазовым из­мерениям неоднозначности привел к целесообразности использования не только вторых, но и третьих разностей.

Третьи разности

При выполнении спутниковых GPS измерений под третьими раз­ностями принято понимать формируемые разности вторых разностей, относящихся к одним и тем же сочетаниям участвующих в измерениях приемников и наблюдаемых спутников, но к различным эпохам, т. е. моментам измерений, при движении спутников по своим орбитам. Для иллюстрации на рисунке приведена схема, поясняющая последователь­ное расположение спутников и участвующих в наблюдениях приемни­ков, которые позволяют получить необходимую информацию для ре­ализации метода третьих разностей.




Общая схема обработки наблюдаемых данных

На основе изложенных выше различных методов измерений и пос­ледующих вычислений представляется возможным составить упрощен­ную обобщенную схему обработки GPS данных.

При геодезическом использовании сис­темы GPS весь процесс обработки разбивают на две основные части:

1) предварительная, производимая в приемнике обработка;

2) заключительная стадия обработки (пост-обработка), производи­мая в камеральных условиях (на базе полевой партии или в вычисли­тельных центрах).

Характерная для GPS измерений завершаю­щая стадия обработки является многовариантной и зависит, прежде всего, от конечной цели поставленной задачи. В частности, на практи­ке весьма часто используются следующие стратегии вычислительных процессов:

1) определение отдельных базисных линий и последующее их объе­динение в сети;

2) вычисление односеансных результатов, полученных одновремен­но для многих станции;

3) совместная обработка данных, характерных для нескольких се­ансов наблюдений.

Специфика подходов к решению поставленных задач раскрыта в разделе 6, посвященном окончательной обработке спутниковых изме­рений. В настоящем разделе изложены лишь общие представления, касающиеся принципов составления схемы обработки.

Анализ прилагаемых к конкретным типам GPS приемникам паке­тов программ свидетельствует о том, что содержание и форма пред­ставления разрабатываемых различными фирмами-изготовителями так называемых коммерческих вычислительных программ могут суще­ственно различаться. В результате этого возникла необходимость со­здания унифицированного формата представления данных, который, не зависит от типа применяемого приемника. Такой формат получил условное обозначение RINEX. Наряду с этим коммерческим програм­мам свойственен и тот недостаток, что они, как правило, не позволя­ют получить максимально возможную точность, характерную для си­стемы GPS, и производить обработку обширных геодезических сетей. Это обусловлено тем, что они ориентированы на массовое их исполь­зование персоналом средней квалификации и на упрощение процеду­ры вычислений. Для устранения отмеченного недостатка разработа­ны универсальные профессиональные программы, позволяющие производить поэтапную обработку данных с промежуточным анализом получаемых результатов.

Такие программы базируются на более стро­гом модельном представлении и рассчитаны на то, что работа с ними осуществляется высококвалифицированным персоналом.

Упомянутые программы позволяют решать разнообразные задачи, включая и нетривиальные задачи, имеющие научно-производственный характер и содержащие требования получения максимальной точности.

Общие принципы построения профессиональных программ осве­щаются в литературе. На рисунке приведена упро­щенная, обобщенная схема, характерная для дифференциальных ме­тодов обработки GPS данных фазовых измерений, которые получили преимущественное применение при решении геодезических задач.




В качестве исходной информации при выполнении обработки ис­пользуются поступающие с выходов GPS приемников «сырые» дан­ные, относящиеся, как правило, к одному сеансу наблюдений.

После сбора «сырых» данных они переводятся в удобно читаемый формат, например, в формат RINEX, и проверяются на наличие гру­бых ошибок. Информация, содержащаяся в передаваемых со спутни­ка навигационных сообщениях, обычно отделяется от результатов на­блюдений. В случае необходимости в нее может быть введена внешняя информация, содержащая уточненные данные об орбитах спутников.

После выполнения подготовительных операций производятся ре­шения, характерные для каждой станции. В результате такого реше­ния в получаемую информацию вводятся поправки за влияние пере­численных на схеме (см. рисунок) источников погрешностей (ионосфе­ра, тропосфера и др.).

На следующем этапе вводится в действие основная программа об­работки (рисунок), базирующаяся на совместном использовании от­корректированных результатов отдельных станций. При этом, как правило, применяется метод вторых разностей. При этом выявляются и устраняются не обнаруженные ранее пропуски фазовых циклов, а также разрешаются неоднозначности.

Главная задача основной программы обработки состоит в вычис­лении искомых значений координат точек стояния, длин базисных линий и других, интересующих потребителя, геодезических данных с оценкой точности их определения. Такая обработка может быть осу­ществлена как для одного, так и для нескольких сеансов наблюдений.

На заключительной стадии может быть произведено уравнивание по­лученных результатов и осуществлен (в случае необходимости) переход к местной системе координат.


СИБИРСКАЯ ГОСУДАРСТВЕННАЯ ГЕОДЕЗИЧЕСКАЯ АКАДЕМИЯ

АВТОМАТИЗИРОВАННЫЕ СИСТЕМЫ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ


Лекция №6

Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослаблений их влияния

1. Классификация источников ошибок, характерных для спутниковых измерений

При отработке методов высокоточных спутниковых измерений возникает необходимость тщательного исследования влияний всех возможных источников ошибок выполняемых измерений, особеннос­тей их проявления и обоснования методов их учета. В зависимости от характера воздействия отмеченных источников, возникающие при этом ошибки, подразделяются на две основные группы: систематические по­грешности, которые применительно к спутниковым измерениям по­лучили название смещений, и погрешности случайного характера, ко­торые часто отождествляют с понятием «шум».

Для погрешностей первой группы разрабатываются специальные методы их учета. Влияние второй группы удается, в большинстве слу­чаев, минимизировать за счет использования большого массива от­дельных измерений. В настоящем разделе основное внимание уделено рассмотрению ошибок систематического характера, обуславливающих появление смещений результатов измерений. При их исследовании и создании методов ослабления их влияния широкое распространение получил метод моделирования, для разработки которого приходится тщательно изучать механизм воздействия таких источников ошибок на результаты измерений с тем, чтобы на основе такого изучения разра­ботать эффективные методы минимизации отмеченного влияния.

Исходя из анализа измерительного процесса, характерного для си­стемы GPS, все основные источники ошибок можно условно разбить на три основные группы:

1) ошибки, связанные с неточностью знания исходных данных, из которых определяющая роль принадлежит погрешностям знания эфе­мерид спутников, значения которых должны быть известны на момент измерений;

2) ошибки, обусловленные влиянием внешней среды, среди кото­рых выделяют такие источники, как воздействие атмосферы (ионос­феры и тропосферы) на результаты спутниковых измерений, а также отраженных от окружающих объектов радиосигналов (многопутность);

3) инструментальные источники ошибок, к которым, как правило, относят неточность знания положения фазового центра антенны при­емника, неучтенные временные задержки при прохождении информа­ционных сигналов через аппаратуру, а также погрешности, связанные с работой регистрирующих устройств GPS приемников.

Наряду с перечисленными выше группами ошибок приходится учи­тывать и отдельные факторы, обуславливающие появление ошибок, которые не характерны ни для одной из перечисленных выше групп. В частности, к таким ошибкам могут быть отнесены погрешности, воз­никающие вследствие неоптимального взаимного расположения на­блюдаемых спутников (геометрический фактор). Кроме того целый ряд ошибок может возникать в процессе перехода от одной координатной системы к другой (например, от свойственной системе GPS глобаль­ной координатной системы GPS-84 к местной, интересующей потре­бителя координатной системе). В дополнение к вышеизложенному не­обходимо учитывать также влияние источников ошибок, связанных с «искусственным зашумлением» излучаемых спутниками радиосигна­лов.

2. Источники ошибок, связанные с неточным знанием эфемерид спутников, и методы ослабления их влияния

При нахождении интересующих потребителя координат точек на земной поверхности спутниковыми методами необходимо наряду с измерением расстояний до спутника знать также его эфемериды, кото­рые определяют местоположение спутника на момент выполнения из­мерений. Неточность знания эфе­мерид обуславливает соответствующие погрешности определения как абсолютных значений координат определяемых точек, так и их разно­стей между пунктами наблюдений. Механизм неточного знания эфе­мерид связан, прежде всего, с наблюдаемыми на практике расхожде­ниями между предсказываемой (невозмущенной) и реальной (подвер­женной влиянию возмущающих сил) орбитами. К возмущающим си­лам относят различные факторы как гравитационного, так и неграви­тационного происхождения.

Значения эфемерид на спутнике корректируются каждый час и остаются действительными, по крайней мере, еще в течение получаса после окончания каждого конт­рольного часа.

Точность передаваемых по радиоканалу значений эфемерид характеризуется погрешностью на уровне около 20 м, что обеспечивает точность геодезических спутниковых диффе­ренциальных измерений на уровне около 1*10-6, которая удовлетворя­ет требованиям большинства выполняемых геодезических работ. Од­нако в связи с широким развитием глобальных высокоточных сетей, предназначенных как для изучения движения земной коры, так и со­здания референцного каркаса, отмеченный уровень оказывается недо­статочным.

В таких случаях прибегают к использованию апостериор­ного метода определения эфемерид, сущность которого состоит в том, что при окончательной обработке спутниковых измерений использу­ют не те значения эфемерид, которые сбрасываются со спутника по радиоканалу, а от специально организуемых служб, которые накапли­вают реальные (а не прогнозируемые) значения эфемерид в банке дан­ных на основе использования результатов измерений или входящими в сектор управления и контроля станциями слежения, или специаль­ными службами, в которые поступает информация от специально со­зданных для этих целей наземных спутниковых станций, входящих в состав соответствующей высокоточной глобальной сети. В частности, в настоящее время в США такой банк функционирует при националь­ной геодезической службе (NGS).

При апостериорных методах удается повысить точность определе­ния эфемерид почти на порядок, т.е. довести эту точность до несколь­ких единиц метров. При таком подходе погрешность знания эфемерид перестает оказывать существенное влияние на результирующую точ­ность спутниковых измерений при решении практически любых гео­дезических задач.

3. Учет влияния внешней среды на результаты спутниковых измерений

Влияние внешней среды на результаты спутниковых измерений проявляется как через изменения времени прохождения радиосигна­лов от спутника до приемника, так и через возникновение многопутности, обусловленной отражениями упомянутых радиосигналов от тех или иных отражающих поверхностей, расположенных в непосредствен­ной близости от приемника.

В свою очередь изменения во времени распространения радиосиг­налов связаны со скоростью распространения электромагнитных волн, которая в такой среде, как атмосфера, отличается от скорости света в вакууме, причем изменения скорости на пути распространения сигна­ла становятся причиной "дополнительных временных задержек, след­ствием которых являются ошибки в значениях измеряемых расстоя­ний, пренебрегать которыми нельзя.

Применительно к системе GPS радиосигнал большую часть своего пути проходит в вакууме, где не проявляются отмеченные выше влия­ния. Но на высотах от нескольких сотен до нескольких десятков кило­метров от земной поверхности находится область ионизированной разреженной атмосферы, получившая название ионосферы, характер­ная особенность которой состоит не только в том, что она вносит весь­ма существенные задержки в то время, которое затрачивает сигнал на прохождение через такую среду, но и обуславливает зависимость та­ких задержек от частоты упомянутого сигнала.

На высотах менее 40 км от земной поверхности простирается при­вычная нам газообразная атмосфера, получившая название тропосфе­ры. В этой среде практически отсутствует зависимость скорости ра­диоволн от частоты, но начинает проявляться ее зависимость от ме­теорологических факторов (температуры, давления и влажности), ко­торые в приземных слоях атмосферы могут изменяться с течением вре­мени в широких пределах.

Наряду с атмосферными влияниями результаты спутниковых из­мерений подвержены также такому влияния внешней среды как многопутность, которая приводит к попаданию на вход приемника не­скольких идентичных радиосигналов, прошедших различный путь. В результате их взаимодействия возникает результирующий сигнал, ко­торый несет в себе несколько искаженную информацию о величине измеряемого расстояния.

Поскольку механизм влияния для перечисленных выше трех раз­личных источников ошибок существенно различен, то проанализиру­ем раздельно особенности таких влияний.