Шавуров Геннадий Анатольевич Мельников Сергей Рафаэяьевшч геотроника. Наземные и спутниковые средства и методы выполнения геодезических работ учебное пособие

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 7.2. Структура системы Геотрон ика 1>°, то есть вектор, связывающий фазовые центры 7.2.2. Сегмент управления и контроля 7.2.3. Сегмент пользователя 7.5. Источники ошибок и точность измерений

Подобный материал:

• Сергей Мельников: Точность распознавания речи доходит до 90%, 86.38kb.
• Рекомендовано к изданию решением секции организации строительного производства цнииомтп, 1660.36kb.
• Реферат отчет 213 с., 12 ч., 63 рис., 18 табл., 223 источников, прил, 258.47kb.
• Наименование программы Виды работ* Курсы по строительству бс-01, 118.49kb.
• Учебное пособие Челябинск Издательство юургу 1999, 543.67kb.
• Глинка Николай Леонидович. Общая химия: учебное пособие, 501.78kb.
• Регламентирующие методы управления, 75.96kb.
• Г. Р. Державина академия управления и сервиса кафедра менеджмента и маркетинга учебное, 1147.35kb.
• Правила выполнения и оформления экзаменационной работы по дисциплине Используемая литература, 10.3kb.
• Курс считается освоенным при условии успешного прохождения итогового теста., 378.91kb.

7.2. СТРУКТУРА СИСТЕМЫ

ОР8 состоит из трех сегментов (зетепЪз): из космического (зрасе), то есть спутникового сегмента, из сегмента управления и контроля и из сегмента пользователя. Здесь и далее исполь­зован термин «сегмент», хотя можно использовать и другой тер­мин, например «подсистема». Спутниковый сегмент состоит из созвездия функционирующих в данную эпоху спутников. Сег­мент управления и контроля содержит главную станцию управ­ления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сег­мент пользователя — это совокупность спутниковых приемни­ков и программного обеспечения, находящихся в распоряже­нии пользователей. Пользователя системы в первую очередь ин-

91

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


тересует его собственный сегмент, то есть имеющиеся у него приемники, а также спутниковый сегмент, в значительной мере обеспечивающий достоверность результатов. Вместе с тем дей­ствия сегмента управления и контроля иногда оказывают кри­тическое влияние на полученные пользователем результаты. Выли случаи, когда результаты получались абсурдными: на­пример, высота пункта, расположенного на равнине, оказыва­лась такой, как будто он находится в высокогорье, либо в глу­бочайшей впадине. Пользователь не может контролировать систему и воздействовать на нее, но он обязан выявлять сбои в ее работе и на этапе обработки отсекать ложные данные и ре­зультаты.

7.2.1. Спутниковый сегмент

Номинально в каждую эпоху имеется 24 работающих (здо­ровых — пеаНпу) спутника системы. Спутники распределены по шести круговым орбитам. На каждой орбите, таким обра­зом, находится 4 спутника. Плоскости орбит разнесены по пря­мому восхождению на 60°. Наклон плоскости орбиты к плоско­сти экватора составляет 53°. Именно таков угол наклона I для спутников ОР8. Расстояние спутников от поверхности Земли составляет 20200 км. При этом период обращения равен поло­вине звездных суток. Наблюдателю это удобно. Если сегодня оказалось, что в такой-то интервал времени спутник занимал такое-то видимое с данного пункта положение, то завтра при­мерно в тот же интервал времени все повторится. Повторится и геометрия наблюдений, то есть Р1ЮР. Следовательно, можно планировать наблюдения на несколько суток вперед с точнос­тью до нескольких минут. Помешать этому может только рез­кая корректировка орбит спутников или переход какого-либо из них из состояния здорового в состояние больного (иппеаШгу) или наоборот.

Командование ОР8 меняет статус спутников: корректирует орбиты, переводит спутник из состояния здорового в состояние больного, отключает операционные спутники, включает резер­вные спутники. На орбитах находятся еще три резервных спут­ника, которые иногда включают. Часто имеется не 24, а 25 и более операционных спутника. В резерве всегда держат не­сколько готовых к запуску спутников. Подробнее о том, что представляет собой спутник СРВ, написано в разделе 7.3.

92



*Рш, %й. Антенны спутниковых приемников, установленные на ауиктаж

геодезической сети: 3° — связывает фазовые центры; 2) — связывает центры пунктов.

ка, которую, устанавливая антенну на пункте, направляют на север. При установке используют оптический отвес (лот-аппа­рат). Для измерения высоты антенны используют рулетку либо специальный жезл. Вся эта процедура аналогична той, что вы­полняют при использовании наземной аппаратуры: дальноме­ров, теодолитов, тахеометров. Надежность и тщательность ис­полнения этой процедуры не могут быть проконтролированы программным обеспечением. Поэтому процессу центрирования и нивелирования антенны, измерению ее высоты и вводу зна­чения высоты в память приемника уделяют особое внимание: контролируют все, что можно, делают повторные измерения высоты, делают дополнительные записи в полевом журнале. В целом влияние этого источника ошибок составляет 2-3 милли­метра. Вообще операторы предпочитают работать на пунктах, где предусмотрено принудительное центрирование антенны.

С антенной связан еще один источник ошибок: многолуче-вость или многопутностъ (тиШразв) сигнала. Хотя сигнал спутника и принадлежит к диапазону сверхвысоких частот, его волны отражаются от некоторых не слишком шероховатых по-

113

Геотрон ика

Глобальные системы позиционирования


виях при длительной сессии наблюдений. Понятие «идеальные условия» трудно сформулировать строго. Можно сказать, что при таких условиях вокруг каждого приемника отсутствуют препятствия, а РШ)Р близок к единице. Понятие «длительная сессия» также можно определить только на качественном уров­не. Продолжительность сессии и длительность цикла сбора ин­формации таковы, что дальнейшие наблюдения уже не повы­шают точность. Это примерно 2-3 часа при длительности цик­ла в 15 секунд, хотя какие либо инструкции на этот счет отсут­ствуют. Опыт показывает, что при этом вектор базы длиной порядка километра определяется с ошибкой 2-3 миллиметра. Подчеркнем еще раз, что речь идет о внутренней, аппаратур­ной точности, обеспечиваемой качеством аппаратуры и уров­нем ее программного обеспечения. Используя аналогию с на­земной аппаратурой, можно сказать, что, понятие «разрешаю­щая способность комплекта спутниковых приемников» анало­гична понятию «инструментальная точность теодолита», мерой которой является ошибка измерения угла в лабораторных ус­ловиях.

Изначально аппаратура определяет вектор базы 1>°, то есть вектор, связывающий фазовые центры антенн спутниковых приемников, см. рис. 7.6. Фазовый центр — это точка, или, точ­нее говоря, область, куда антенна «собирает» сигналы всех ви­димых спутников. Продолжая аналогию, можно сказать, что понятие фазового центра аналогично понятию точки пересече­ния вертикальной и горизонтальной осей теодолита. Исполь­зуя введенную оператором информацию о высоте антенны и о типе этой антенны, программное обеспечение приводит ре­зультаты к центрам пунктов, то есть переходит от вектора 3° , связывающего фазовые центры антенн, к вектору 3» связыва­ющему центры пунктов.

Положение фазового центра на антенне ничем не закрепле­но, но на каждой антенне, предназначенной для точных изме­рений, приведена схема, показывающая расположение центра относительно частей антенны. Это положение определяют для каждой антенны индивидуально в результате тщательных ис­следований. В идеале фазовый центр должен находиться на гео­метрической оси антенны, в реальности это условие может и не выполняться. Чтобы исключить или ослабить влияние этого источника ошибок на результаты определения векторов баз все антенны ориентируют единообразно. На антенне имеется стрел-

112

7.2.2. Сегмент управления и контроля

Этот сегмент называют также операционной системой управ­ления и контроля — Орега&опа1 Соп1;го18уз*ет (ОС8). Основны­ми задачами сегмента является слежение за спутниками для оп­ределения их орбит и параметров хода часов спутников относи­тельно ОР8Т, прогноз эфемерид спутников, временная синхрони­зация часов спутников, загрузка навигационного сообщения на спутники. Существует также много других задач, таких, напри­мер, как обеспечение запусков новых спутников.

Первоначально главная станция управления и контроля располагалась в Вандерберге, Калифорния. Затем ее перевели в объединенный центр космических исследований — СопзоШа-1ес18расе ОрегаЪюпз СепЪег — С8ОС. Центр расположен на базе военно-воздушных сил США в Фальконе, Колорадо Спринте, штат Колорадо. Центр собирает и обрабатывает данные со стан­ций слежения за спутниками системы. Используя фильтр Кал-мана, вычисляют и предсказывают эфемериды спутников, а также параметры хода часов спутников. Затем эти данные пе­редают на одну из трех наземных станций закладки информации, каждая из которых совмещена со станцией слежения за спутни­ками. Станции закладки информации закладывают информацию в память бортовых компьютеров спутников. Делают это пример­но каждый час. На главной станции находятся цезиевые стандар­ты частоты и времени, хранящие 6Р8Т. В задачи главной стан­ции входит также контроль работоспособности спутников я сис­темы в целом.

Имеется пять станций слежения за спутниками системы. Они расположены на Гавайях, в Колорадо Спринте (США, со­впадает с главной станцией системы), на острове Асунсьон в южной части Атлантического океана, на острове Диего Гарсия в Индийском океане и на острове Кваджалейн в южной части Тихого океана. Каждая из этих станций оборудована высоко­точным цезиевым стандартом частоты и Р-кодовым (см. раздел 7.3.3) приемником. Приемник непрерывно, каждые полторы секунды, измеряет псевдодальности до всех находящихся над горизонтом спутников. В псевдодальности вводят поправки за задержки сигнала в ионосфере и нейтральной атмосфере. За­тем данные сглаживают на интервалах в пятнадцать минут и передают предварительно обработанную таким образом инфор­мацию на главную станцию управления и контроля.

93

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


Эту сеть из пяти станций используют для создания широко­вещательных эфемерид и для определения параметров хода часов спутников. Именно эту информацию пользователь полу­чает из спутникового сообщения. Более точную информацию, но с запаздыванием, получают из результатов наблюдений спут­ников на контрольных пунктах других сетей. Гораздо более глобальная и точная сеть — это Кооперативная международ­ная сеть СРВ - Соорега*1Уе 1пЪегпа1;юпа1 ОР8 Ке1;\уогк (СКЖЕТ), управляемая национальной геодезической службой (N08) США. Координаты станций этой сети определены методом РСДБ. Полученные на этой сети эфемериды спутников называ­ют точными. Они доступны, например, через ШТЕ1ШЕТ. Под­черкнем еще раз, что получить их можно только по прошествии некоторого времени после наблюдений. Следовательно, их ис­пользуют, когда нужна наивысшая точность результатов, а за­держка в их получении особой роли не играет.

В сегмент управления и контроля входят три станции заклад­ки информации, которые называют также наземными конт­рольными станциями. Они совмещены со станциями слежения на островах Асунсьон, Диего Гарсия и Кваджалейн. Каждая та­кая станция содержит аппаратуру связи со спутниками и переда­ющую антенну. Эти станции по спутниковым линиям связи полу­чают с главной станции управления и контроля информацию об эфемеридах спутников и параметрах хода их часов. Эту информа­цию станции закладывают в память бортовых компьютеров спут­ников примерно каждый час. Для этого используют линию связи в диапазоне от 2,3 до 3,7 ГГц. Если по какой-либо причине зак­ладка новых эфемерид приостановлена, то спутник транслирует старые эфемериды еще в течение 14 суток. Поскольку такие эфе­мериды являются результатом экстраполяции, то ошибка их по­степенно увеличивается с 10 до 200 метров.

7.2.3. Сегмент пользователя

Пользователь ОР8 — это человек или коллектив, имеющий в своем распоряжении всю необходимую для работы спутнико­вую аппаратуру и программное обеспечение. Следовательно, сегмент пользователя — это совокупность находящихся в ра­боте спутниковых приемников и другой аппаратуры. Пользо­ватели различаются на категории по нескольким признакам: гражданские и военные, навигаторы и геодезисты, имеющие полный доступ к системе и имеющие ограниченный доступ. Как

94

бочны, поскольку ошибочны значения параметров многознач­ности. Однако на этом этапе достигается соответствие между параметрами многозначности и координатами вектора базы. Далее наступает этап, занимающий основное время обработки: сканирование. Компьютер последовательно изменяет (увеличи­вает и уменьшает) на 1,2,.. значения параметров многозначно­сти. Это делают во всех комбинациях, получая каждый раз но­вое решение для вектора базы. Число комбинаций и решений огромно. Одновременно на основе статистического анализа ком­пьютер оценивает вероятность V справедливости каждого из полученных решений. Он выстраивает решения в иерархию по их вероятности: наиболее вероятному решению приписывает вероятность У_1г наиболее вероятному из оставшихся — вероят­ность У_г и так далее. Завершающим этапом является вычисле­ние отношения — га*ю=У₁/Т₂. Смысл в том, чтобы оценить, насколько велика вероятность справедливости первого реше­ния по сравнению с вероятностью справедливости второго ре­шения. Если га1до близко к единице, то есть решения пример­но равновероятны, то многозначность не разрешилась и наблю­дения на данной базе надо повторить при более благоприятной геометрии наблюдений и при большей длительности сессии. При благоприятных условиях наблюдений случается, что га*ш близко к сотне. В этом случае операторы уверены в успехе на­блюдений на данной базе, хотя окончательное решение прини­мают, проанализировав распределение по сети невязок замк­нутых фигур.

7.5. ИСТОЧНИКИ ОШИБОК И ТОЧНОСТЬ ИЗМЕРЕНИЙ

Существует несколько источников ошибок измерений и ис­точников ошибок определения интересующих параметров. Принято разделять их на источники ошибок, вызванные рабо­той аппаратуры, на источники ошибок, связанные с влиянием внешней среды и влиянием ошибок исходных данных, то есть в данном случае, с ошибками координат спутников.

К аппаратурным источникам ошибок относят факторы, оп­ределяющие разрешающую способность аппаратуры. Мерой разрешающей способности является ошибка, с которой пара приемников определяет вектор базы в неких идеальных усло-

111

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


раметры многозначности #₀. Отсюда ясна разница между раз­решением многозначности в наземных и спутниковых измере­ниях. При работе с наземным дальномером или с наземной си­стемой оператор (наблюдатель) обязан построить работу так, чтобы определить целое число N безошибочно. Он обязан опре­делить истинное значение N в процессе наблюдений и не мо­жет прекратить наблюдения до тех пор, пока не убедится в том, что многозначность разрешена. При работе со спутниковой ап­паратурой оператор может узнать, разрешена ли многознач­ность только после постобработки то есть уже прекратив на­блюдения. Это утверждение не касается работы в режиме НТК. Более того, в результате разрешения многозначности получа­ется набор вероятнейишх значений параметров многозначнос­ти, но вовсе не истинные их значения. Разрешение многознач­ности спутниковых измерений и успех этой процедуры имеет вероятностный смысл. Чем длительнее сессия наблюдений и чем меньше препятствий, закрывающих небосклон, тем боль­ше вероятность успеха. С другой стороны, длительность сессии не может быть непомерно большой. Нет смысла находиться на пункте, скажем, четыре часа, если опыт говорит, что достаточ­но наблюдать полтора часа. Длительность сессии наблюдений определяет опытный руководитель проекта с учетом мнения опытных операторов. Бывает, что условия наблюдений на ка­ком-либо пункте крайне неблагоприятны, но отнаблюдать его необходимо. Например, пункт находится близ многоэтажного здания, закрывающего половину небосклона. В таких случаях вопрос о длительности сессии на этом пункте решается инди­видуально по принципу «чем дольше, тем лучше».

Разрешение многозначности выполняет не оператор вруч­ную, а программное обеспечение (зой). Порядок разрешения многозначности следующий. Используя эфемеридную инфор­мацию и приближенные координаты вектора базы, вычисля­ют параметры многозначности АР₀. Штрих поставлен потому, что параметры многозначности содержат ошибки и не будут целыми, так, как это должно быть. Округляют параметры мно­гозначности до ближайших целых чисел, получая тем самым набор параметров многозначности #₀. Значения этих парамет­ров не будут ни истинными ни вероятнейшими. Получение ве-роятнейших значений обеспечивает дальнейшая процедура. Ис­пользуя набор целочисленных параметров многозначности, вычисляют новые координаты вектора базы. Они также оши-

110

правило, американские военные имеют полный доступ к сис­теме. Таких пользователей называют авторизованными, допу­щенными, уполномоченными — аийюпгес! изегз. Остальные пользователи, как правило, гражданские, — это неавторизован­ные — ипаи1;пог12ес1 — пользователи. Аппаратура авторизован­ных пользователей позволяет получать и обрабатывать инфор­мацию такой точности, на которую только способна система. Аппаратура неавторизованных пользователей до недавнего вре­мени была способна получать только информацию с намеренно загрубленной точностью. Сейчас режим намеренного загрубле-ния отключен.

Специалисты в области навигации как пользователи СгР8 заинтересованы в решении задач навигации. Эти задачи в зна­чительной мере сводятся к определению мгновенных коорди­нат транспортного средства и к определению скорости и направ­ления его перемещения. Необходимая точность такого опреде­ления зависит от того, в какой ситуации находится транспорт­ное средство. Судно в открытом океане не требует высокоточ­ной навигации, вполне удовлетворительна ошибка местополо­жения в сто метров и даже в километр (в кабельтов или в милю). Резко возрастают точностные требования, до дециметрового уровня, при подходе к портам, при маневрах в узкостях (про­ливы, фьорды) и в потоке движения. На самом деле навигаци­онные приемники определяют не только местоположение и век­тор скорости. Приемник указывает требуемый и реальный курс на заданный объект, отклонение от маршрута, предписывает маневры, желательные для возвращения на курс. Вообще на­вигационный приемник многофункционален.

Геодезический приемник также выполняет функции нави­гационного приемника. Другими словами, он работает не толь­ко в фазовом, но и в кодовом режиме. Однако навигационные функции геодезического приемника не столь обширны, сколь у чисто навигационного приемника. Предназначение геодези­ческого приемника не в навигации, но он всегда поможет опе­ратору выйти в нужный пункт.

При геодезических измерениях одновременно работают не­сколько приемников. Как минимум — два. Определяют вектор базы, соединяющий пункты, на которых установлены антенны приемников. Определяют их на миллиметровом - сантиметровом уровне точности. Точность зависит от производителя аппарату­ры, от методики наблюдений, от расстояния между пунктами.

95

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


7.3. СПУТНИКИ

Спутник СР8 — это платформа, несущая комплекс обору­дования, обеспечивающего энергопитание спутника, возмож­ность корректировки орбиты и работоспособность. Питание обеспечивают солнечные батареи и аккумуляторы. Орбиту кор­ректируют с помощью реактивных двигателей небольшой мощ­ности.

Термин работоспособность означает способность выполнять функции, возложенные на спутник. Спутник имеет антенну и приемник для приема сигнала со станций закладки информа­ции. Спутник имеет бортовой компьютер для запоминания ин­формации, для ее обработки и для координации работы спут­ника в целом. Ритм работы всей аппаратуры задают четыре цезиевых и (или) водородных стандарта частоты и времени. Частота колебаний стандартов равна 10,23 Мгц. Именно из этих колебаний путем умножения частоты, ее деления или преобра­зования гармонического колебания в кодовый сигнал получа­ют все остальные сигналы спутника - несущие и модулирую­щие (кодирующие). Спутник имеет передатчик и антенну для передачи сигнала пользователю системы. На спутнике распо­ложена также аппаратура стабилизации и ориентации, другая аппаратура.

Известны три класса спутников: В1оск I, В1оск II и Вкгск ПК. Спутники В1оск I каждый весом в 845 килограммов запускали с 1978 по 1985 год с базы военно-воздушных сил в Калифор­нии. Использовали ракету АМаз Г. Заложенная в конструкцию продолжительность жизни спутника составляла 4,5 года. Не­которые спутники функционировали почти в три раза дольше. Угол наклона плоскости орбиты к плоскости экватора у спут­ников этого класса составлял 63°. У запущенных позже спут­ников — 55°. Спутники этого класса являлись в некотором смысле пробными, хотя полностью выполняли возложенные на них функции. Спутники следующей серии В1оск II были пред­назначены для создания операционного созвездия.

Первый спутник В1оск II, стоящий примерно 50 миллионов долларов и весящий более полутора тонн, был запущен 4 фев­раля 1989 года космическим центром имени Кеннеди с военно-воздушной базы Мыс Канавералл, штат Флорида, США. Ис­пользовали ракету-носитель ВеН;а И. Конструкционная продол­жительность жизни спутника этого класса составляла 6 лет,

96

ются. На этот случай предусмотрена процедура линеаризации уравнений. Функцию измеренной величины от определяемых параметров раскладывают в ряд Тейлора и ограничиваются чле­нами с первыми частными производными. При этом необходи­мо знать приближенные значения определяемых параметров и предвычисленное по этим значениям приближенное значение измеряемой величины. Приближенные значения координат вектора базы, используемые впоследствии при окончательном решении по вторым разностям, получают из решения по треть­им разностям.

Существует несколько подходов к составлению пакета про­грамм для обработки результатов измерений. Зачастую алго­ритм обработки или его детали пользователю недоступны. Тем не менее, общий подход к обработке состоит в следующем. Про­граммное обеспечение формирует первые разности фазовых измерений, из них формирует вторые разности, а затем — тре­тьи разности. Первое, самое приближенное решение вектора базы получают из кодовых и допплеровских измерений. Уточ­няют его из решения по третьим разностям; этот уточненный результат используют в качестве приближенного для решения по вторым разностям. Как было сказано, наиболее трудным эта­пом при обработке по вторым разностям является разрешение многозначности.