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

Вид материала

Учебное пособие

Содержание 7.3.2. Навигационное сообщение, эфемериды Глобальные системы позиционирования Геотрон ика 7.3.3. Вычисление орбитальных координат спутника по его эфемеридам 7.4.2. Многозначность, разности фазовых 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.

7.4.3. Разрешение многозначности

В ОР8 разрешение многозначности сводится к вычислению параметров многозначности ₀, то есть числа целых уложе­ний длин волн во второй разности для каждой пары пунктов и для каждой пары спутников в начальный момент регистрации результатов. Как было сказано, это напоминает задачу радио­лага или фазового зонда в наземных системах. Принципиаль­ное отличие состоит в следующем. В наземных системах име­ется возможность определить параметр многозначности, когда носитель начинает движение с пункта, расстояние до которого с опорного пункта известно изначально. В спутниковой систе­ме такая возможность отсутствует. Нет твердого пункта в око­лоземном пространстве, с которого спутник мог бы начать свое движение. Единственный выход состоит в том, чтобы включить набор параметров многозначности #₀ в число определяемых параметров. Другими словами, в уравнивании в качестве неиз­вестных участвуют помимо координат вектора базы еще и па-

109

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


Вторая разность имеет замечательную особенность. По­скольку во второй разности исключаются начальные фазы ко­лебаний спутника и приемника, то теоретически число уложе­ний длин волн во второй разности действительно является це­лым. Поэтому есть право при обработке округлять число уло­жений длин волн до целого числа. Так и делают. Более того — вторые разности — это основа обработки в том смысле, что имен­но на основе вторых разностей получают окончательные резуль­таты. Самой большой проблемой при этой обработке является разрешение многозначности. Необходимо определить набор целых чисел Л_о в начальный момент наблюдений для каждой пары пунктов и для каждой пары спутников, наблюдаемых с этих пунктов. Проблема аналогична задаче радиолага или фа­зового зонда, но решается она совершенно по-другому. В треть­их разностях проблема многозначности не решена, но снята.

Третья разность — это разность двух вторых разностей. Гео­метрия иллюстрирована рисунком 7.5. В начальный момент времени <_х формируют вторую разность и продолжают непре­рывную обработку до момента <₂. В разности исключается па­раметр многозначности 7₀. Это и означает, что проблема мно­гозначности снимается. Расплачиваться за это приходится тем, что ухудшается геометрия наблюдений, то есть изоповерхнос-ти пересекаются под углами, далекими от прямых углов. В ре­зультате ошибка определения вектора базы лежит в пределах 1-3 метра. Такая точность неприемлема для геодезии, тем не менее третьи разности в процедуре обработки результатов ис­пользуют.

Рис. 7.5. Третья разност*

108

Еще раз напомним, что в геодезии обработку ре­зультатов измерений вы­полняют по способу наи­меньших квадратов, осно­ванному на составлении и решении системы линей­ных уравнений. В ОР8, также как и в большинстве других геодезических ме­тодов, уравнения, связы­вающие измеряемые вели­чины и определяемые пара­метры, линейными не явля-

',!■

хотя некоторые спутники могли функционировать и 10 лет, поскольку на это время хватало запаса расходуемых материа­лов, в основном топлива. Различие между В1оск I и В1оск II свя­зано с национальной безопасностью США. Сигнал спутника В1оск I был полностью доступен гражданскому пользователю, тогда как некоторые сигналы В1оск II ограничивают эту дос­тупность.

Спутники класса В1оск ПК, практически полностью заме­нившие в настоящее время ранее запущенные, имеют конструк­ционную продолжительность жизни в 10 лет. Буква «К» озна­чает модификацию или замену. На борту имеются водородные мазеры взамен рубидиевых и цезиевых стандартов частоты, установленных на спутниках предшествующих классов. Каж­дый спутник весит более двух тонн, стоит около 25 миллионов долларов. Запускают эти спутники с помощью Шаттла.

7.3.1. Структура сигнала спутника

Основой работы системы является точное измерение време­ни и временных интервалов. Термин точное означает, что для достижения наивысшей точности используют все доступные средства. На главной станции управления и контроля, а также на каждом спутнике установлены наиболее точные из существу­ющих сейчас цезиевые и водородные стандарты частоты и вре­мени. Частота колебаний стандарта равна 10,23 Мгц. Все коле­бания и сигналы спутника получают из этой частоты путем ко­герентного преобразования: умножения и деления частоты опорного генератора — стандарта частоты и времени. Два ко­лебания несущей частоты получают умножением частоты опор­ного генератора на соответствующий коэффициент. Колебание 2=1575,42 МГц получают умножением на 154. Колебание 1,₂=1227,60 МГц получают умножением на 120. Измерения на двух несущих частотах используют для реализации дисперси­онного способа учета влияния ионосферы и для облегчения про­цедуры разрешения многозначности фазовых измерений.

Несущие колебания модулируют кодовыми сигналами: С/А-кодом и Р-кодом. При этом Р-кодом модулируют оба несу­щих колебания; С/А-кодом модулируют только колебания пер­вой несущей частоты. Тактовая частота Р-кода равна частоте колебаний опорного генератора. Тактовую частоту С/А-кода по­лучают делением частоты колебаний опорного генератора на де­сять. О кодах написано в разделе 7.3.4. Кроме того, несущие

97

Геотроника

Глобальные системы позиционирования




колебания модулированы навигационным спутниковым сооб­щением.

7.3.2. Навигационное сообщение, эфемериды

Навигационное сообщение называют также спутниковым сообщением или навигационным спутниковым сообщением. В англоязычной терминологии — это паУ1§аиоп таззае. Далее для краткости будем использовать термин сообщение. Сообще­ние передается за 30 секунд. Но не вся информация передается в этот краткий отрезок времени. Например, альманах переда­ется в течение нескольких сообщений, об альманахе см. далее. Сообщение содержит пять блоков (кадров, подкадров, по-анг­лийски — виЫгатев). Каждый блок транслируется в течение 6 секунд и содержит 10 слов. Каждый блок начинается с теле­метрического слова — 1е1ете1гу тоогё (ТЬМ). Оно содержит син­хронизирующий формат и диагностическое сообщение — сооб­щение или часть сообщения о статусе спутника и системы в це­лом. Далее идет ключевое слово — папд-оуег \гогй (НО). Этот термин можно перевести как слово, передаваемое из рук в руки. По смыслу НО — это временная метка.

Первый блок содержит параметры часов спутника и коэф­фициенты модели ионосферы. Параметры часов — это поправ­ка и ход часов спутника относительно ОР8Т. Информацию о параметрах модели ионосферы используют только при работе с одночастотными приемниками. Если есть двухчастотный при­емник, то применяют дисперсионный способ.

Второй и третий блок содержат эфемериды спутника, транс­лирующего данное сообщение. Эти эфемериды называют ши­роковещательными. Их получают из результатов наблюдения спутников с пяти станций слежения.

Наблюдение спутников станциями слежения, первичная обработка результатов, передача их на главную станцию управ­ления и контроля, обработка результатов там, передача их на станции закладки информации и сама закладка требуют вре­мени. Следовательно, хранящиеся в памяти бортовых компь­ютеров и транслируемые широковещательные эфемериды в момент их трансляции уже устарели. Поэтому транслируемые эфемериды — это результат предсказания, экстраполяции. По этой причине эфемериды закладывают в память бортовых ком­пьютеров спутников как можно чаще — примерно каждый час.

Четвертый блок зарезервирован для передачи служебной

98

Рис. 7.3. Первая разность приемник-приемник

Рис. 7.2. Первая разность спутник-спутник



разности исключается начальная фаза с1<р^а колебаний спутни­ка. Чтобы исключить и ту и другую начальные фазы, необхо­димо сформировать вторую или двойную разность. Двойную разность получают, выбрав из результатов данные, полученные из одновременных наблюдений двух спутников двумя прием­никами. Этот вариант приведен на рисунке 7.4. Другими сло­вами: вторая разность — это разность двух первых разностей. При формировании разностей фазовых измерений система пе­рестает быть дальномерной и превращается в разностную. Изоповерхности становятся ги­перболоидами и геометричес­кий фактор (угол засечки), как правило, ухудшается. Следует также подчеркнуть, что при формировании разностей выра­жений вида (7.1) образуются и разности N. Первая разность со­держит разность целых уложе­ний длин волн в расстояниях до спутника. Вторая разность со­держит разность целых уложе­ний длин волн, содержащихся

Рис. 7.4. Вторая разность

107

в первых разностях.

Геотроника

тысячи циклов в секунду. Существуют сбои в счете и это - от­дельная проблема. В целом многозначность разрешают спосо­бом, во многом аналогичном способу радиолага и способу фазо­вого зонда, используемым в наземных системах. Отличие в том, что расстояние до спутника в начальный момент измерений в спутниковой системе с достаточной точностью знать нельзя. Сюда примешиваются проблемы, связанные с неопределеннос­тью начальных фаз. Если впрямую использовать уравнение (7.1), то нет основания округлять приближенно определенное значение Л/у до ближайшего целого числа, как это делают в дальномерах. И кроме того, если при наземных измерениях на­блюдатель имеет достаточно времени для разрешения много­значности, при спутниковых измерениях многозначность не­обходимо разрешить «мгновенно», быстрое перемещение спут­ника не дает возможности повтора. Проблемы этим не ограни­чиваются. Напомним, что СР8 создавалась как навигационная кодовая система, изначально не предназначенная для фазовых измерений. В ней нет стройной сетки частот, специально пред­назначенной для разрешения многозначности. Все сказанное приводит к тому, что разрешение многозначности — самая боль­шая проблема в спутниковых измерениях. Решить эту пробле­му удается, формируя разности результатов фазовых измере­ний.

В геодезических измерениях участвуют несколько прием­ников, как минимум два. Каждый приемник одновременно принимает и регистрирует сигнал нескольких спутников. Рас­смотрим два элементарных случая: один приемник одновремен­но принимает и регистрирует сигнал двух спутников; два при­емника одновременно принимают и регистрируют сигнал од­ного спутника. Первый случай иллюстрирован рисунком 7.2. Второй случай иллюстрирован рисунком 7.3. На этапе постоб­работки программное обеспечение формирует разности фазовых измерений. Другими словами, в первом случае формируют раз­ность фаз сигналов от двух спутников на одном приемнике. Во втором случае формируют разность фаз сигналов от одного спут­ника на двух приемниках. Это называют первой или одинар­ной разностью «спутник-спутник* и «приемник-приемник».

Если сформировать разность выражений вида (7.1) для ва­рианта спутник-спутник, то в разности исключается начальная фаза 8ф_г колебаний приемника. Если сформировать разность выражений вида (7.1) для варианта приемник-приемник, то в

106

_ Глобальные системы позиционирования

информации. Приемники гражданских пользователей не име­ют возможности регистрации этой информации.

, I Пятый кадр содержит альманах спутников и информацию

о состоянии системы. Альманах — это приближенные эфеме­
риды всех спутников системы и данные о здоровье каждого
11« спутника. Каждый спутник в течение 12,5 минут транслирует

¹ информацию о созвездии спутников. Чтобы получить альманах

I до начала наблюдений и использовать эти данные на этапе пла-

нирования необходимо выставить приемник на открытое мес­то, подержать его там включенным минут 15-20, выключить и скачать данные на офисный компьютер. В процессе наблюде­ний свежий альманах получают вообще без дополнительных

I затрат времени.

Эфемериды спутника — это набор данных об орбите спутни­ка и о положении спутника на орбите. Пользователя ОРВ инте­ресуют геоцентрические координаты спутника в системе О8 84 в момент ухода сигнала с этого спутника. Аппаратура пользо­вателя вычисляет координаты спутника, используя данные, содержащиеся в файле эфемерид. Эфемеридная информация отнесена к референцному (опорному, исходному) моменту ?₀. Этот момент указан в файле эфемерид. В сообщении приведен

1 также АСЮЕ (А§е о1 БаЪа) — «возраст» эфемеридных данных,

то есть интервал времени, прошедший с момента последней зак­ладки данных в память бортового компьютера. Напомним, что параметры эфемерид являются оскулирующими и относятся к референцному моменту.

Далее конспективным образом перечислена информация, содержащаяся в широковещательных эфемеридах, л/а — ко­рень квадратный из большой полуоси эллипса орбиты, е — эк­сцентриситет орбиты. О — прямое восхождение восходящего узла орбиты спутника. О,' — скорость изменения прямого вос­хождения восходящего узла орбиты спутника. I — угол накло­на плоскости орбиты к плоскости экватора, со — аргумент пе­ригея, г' — скорость изменения угла наклона. М_о — средняя аномалия на референцный момент. Лп — отклонение значения среднего движения от предвычисленного. С и С_ш — амплиту­ды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в аргумент широты. С_ге и С„ — амплитуды косинусо­идального и синусоидального членов в формуле для поправки в радиус орбиты. С_1с и С_гв — амплитуды косинусоидального и синусоидального членов в формуле для поправки в угол накло-

99

Геотрон ика

Глобальные системы позиционирования


на орбиты. Формулы для возмущений оскулирующих элемен­тов учитывают только влияние на движение спутника сжатия Земли.

7.3.3. Вычисление орбитальных координат спутника по его эфемеридам

Рассмотрим, как используют эфемериды спутника для вы­числения его прямоугольных координат Х_о и У_о в орбитальной системе координат на момент наблюдений. Для этого рассмот­рим формулы:

Х_о = гсови!

|' ^(7<3)

Отсюда видно, что задача сводится к определению на момент наблюдений радиуса орбиты г спутника и аргумента широты и. Момент наблюдений г получают из фиксации момента прихода на приемник временной метки. В качестве исходной информации используют также значение одной из фундаментальных геодези­ческих постоянных ц — произведение гравитационной постоян­ной на массу Земли. В\АГО8 84 ц=3,98600810¹⁴ м³/сек².

Процедуру вычисления орбитальных координат разделяют на четыре этапа. На первом этапе вычисляют истинную анома­лию и. Порядок вычислений следующий. Вычисляют времен­ной интервал А*, прошедший от референцией исходной эпохи *₀ до момента г наблюдений: Д*=*-*_о. Вычисляют приближен­ное значение среднего движения л_о=(ц/а³)^1/2. Вычисляют уточ­ненное значение среднего движения п=п_о+Ап. Вычисляют сред­нюю аномалию М=-М₀+пМ. Используя уравнение Кеплера М**Е+е91пЕ, вычисляют эксцентрическую аномалию Е. И окон­чательно на этом этапе вычисляют истинную аномалию V, ис­пользуя формулы:

со81>=^в(со8.Е-е)/( 1-есоз.Е) и

На втором этапе вычисляют значение аргумента широты и. Порядок вычислений следующий. Вычисляют приближенное значение аргумента широты и_о+а>. Вычисляют поправку в приближенное значение аргумента широты за влияние сжатия Земли на орбиту спутника по формуле: Дц==С_цссо82и₀ +С_ивз1п2и₀. Напомним, что коэффициенты С содержатся в эфемеридах.

100

себя, если оператор забыл ввести высоту антенны. Вместе с тем, аппаратура не может контролировать все действия оператора. Центрирование антенны над пунктом — процедура бесконт­рольная. При измерении высоты антенны над пунктом и при введении ее значения в память приемника оператор может до­пустить ошибку, а программное обеспечение не сможет эту ошибку выявить. Выполняя постобработку, оператор выявля­ет ошибки в исходной информации: в высоте антенны, в имени файла, в идентификаторе пункта. Выявив ошибку, оператор устраняет ее.

Обработав очередную базу, оператор выясняет, как резуль­тат согласуется с исходными данными и с результатами, полу­ченными им ранее. Речь идет о том, как согласуются получен­ные разности координат с каталожными разностями коорди­нат исходных пунктов и каковы координатные невязки замк­нутых фигур. Как сказано ранее, согласование результатов спутниковых измерений с созданными ранее сетями создает проблемы. Что касается невязок замкнутых фигур, то вектор­ная сумма баз должна быть равна нулю. Другими словами, дол­жны выполняться равенства:

(7.6)

Существенное отклонение от этого условия свидетельствует о низкой точности или о грубых ошибках в результатах. Не су­ществует инструкции, оговаривающей допуски, поэтому дан­ный вопрос решают, исходя из личного опыта. Основное время при постобработке занимает разрешение многозначности.

7.4.2. Многозначность, разности фазовых измерений

Эти два вопроса рассмотрим на основе формулы (7.1). Суще­ствуют две проблемы: разрешение многозначности и учет на­чальных фаз 5ф" и 8ф_г колебаний генераторов спутника и при­емника. Приемник не только измеряет разность фаз <р(*), но не­прерывно регистрирует результат этого измерения. Такая про­цедура называется счетом целых фазовых циклов. В наземных системах счет идет достаточно медленно: единицы циклов в се­кунду или в минуту. В спутниковой системе приемник считает

105

Геотроника

Глобальные системы позиционирования


ного сигнал спутника называют псевдошумовым, а коды — псев­дослучайными.

Существуют два вида измерительных кодов. Легко доступ­ный, легко обнаруживаемый, широковещательный код — С/А-соде — Соагзе АсдшзШоп соае. Точный Р-сос1е — Ргемзюп соде. Спутник имеет индивидуальный С/А-код, повторяющий­ся каждую миллисекунду. Приемник идентифицирует и зах­ватывает сигнал спутника на частоте Ь_х легко, поскольку эта частота модулирована С/А-кодом. Гораздо сложнее дело обсто­ит с захватом сигнала спутника на частоте Ь_г, то есть на второй несущей частоте. С/А-код на нее не подают, так что захват сиг­нала и последующие наблюдения возможны только в Р-коде. Это затрудняет работу пользователя и это затруднение намерен­но заложено в структуру системы.

Спутнику в данную эпоху присущ Р-код, повторяющийся через неделю. В то же время, системе присущ весь Р-код в це­лом. Длительность Р-кода системы равна 266,4 суток. Други­ми словами, весь длинный Р-код системы разделен на недель­ные отрезки, интервалы. Каждый отрезок в данную эпоху при­писан конкретному спутнику. Изначально доступ к Р-коду име­ли только авторизованные пользователи, в основном, американ­ские военные. Сейчас аппаратура практически всех пользова­телей имеет доступ к Р-коду. Этот доступ осложнен тем, что Р-кодовый сигнал подвергнут дополнительному кодированию (шифрованию) так называемым У-кодом. Как сказано в лите­ратуре, сделано это для того, чтобы предотвратить возможность нарушения работы системы путем внешнего вмешательства. Такой режим работы назван Ап-Ц-8роойп§ (А8) — режим про­тиводействия несанкционированному воздействию. Он сводит­ся именно к использованию У-кода. В свою очередь, У-кодиро-вание - это обмен недельными отрезками Р-кода между спут­никами в последовательности, известной лишь персоналу, уп­равляющему системой. Если эта последовательность неизвест­на пользователю, то есть его приемник не содержит соответству­ющего чипа, то отсутствует возможность захватить сигнал в Р-коде на второй несущей частоте и дорогой высокоточный двухчастотный приемник может работать только как одноча-стотный. Производители аппаратуры, однако, тем или иным пу­тем преодолели эти трудности, например, заплатив за возможность установки в приемники соответствующих чипов.

Наблюдения в С/А-коде называют 81апаагд РовШошп

102

Зеглаве (8Р8) — стандартной службой позиционирования. На­вигационные координаты в этом режиме определяют с ошиб­кой 100-200 метров. Наблюдения в Р-коде называют Ргесгве РозШоптв Бегущее (РР8) — служба определения точного мес­тоположения. Навигационные координаты в этом режиме оп­ределяют с ошибкой порядка 10-20 метров.