авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 9 |

Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии

-- [ Страница 2 ] --

Уравнения наблюдений псевдодальности или фазы несущей при измерениях с некоторого пункта A на спутник i, часто записывают в виде:

(1)

(2)

В них в левой части находится результат измерений в эпоху t в линейной мере. В правой части имеем: - геометрическая дальность, то есть истинное расстояние между приёмником в момент приёма сигнала и спутником в момент выхода сигнала, - время прохождения сигнала, - ионосферная задержка, - тропосферная задержка, - поправки часов соответственно для спутника и для приемника, - влияние многопутности на кодовые и фазовые измерения, - запаздывания сигналов в цепях измерения псевдодальности и фазы в приемнике и на спутнике, - начальные фазы генераторов приемника и спутника, - целочисленная начальная неоднозначность фазы, - длина несущей волны, и - шумы измерения псевдодальности и фазы.

В уравнениях (1), (2) не учтены релятивистские и динамические эффекты.

Псевдодальности P могут измеряться по стандартному коду ГЛОНАСС (C/A код в системе GPS) или коду повышенной точности (P код в GPS). Измерения псевдодальностей производятся мгновенно и могут выполняться с большой частотой. Каждое измерение не связано с остальными измерениями. Шум наблюдений eP для псевдодальности по P коду составляет несколько дециметров, по стандартному коду шум eC/A 3 м.

Наблюдения фазы несущей Ф должны производиться непрерывно, восстановление потерь счета циклов в наблюдении фазы является сложной задачей, особенно когда их много. В отличие от кодовых измерений каждое наблюдение фазы взаимосвязано с остальными измерениями данного спутника. При сохранении постоянного захвата сигнала спутника появляется возможность производить высокоточные кинематические измерения.

Все наблюдения фазы для одного спутника содержат одну и ту же начальную целочисленную неоднозначность . Фазовые наблюдения имеют пренебрежимо малый шум, обычно мм.

Результаты наблюдений содержат ошибки со свойствами пространственно-временной корреляции. Кроме того, наблюдения фазы на разных частотах могут быть сильно коррелированными из-за особенностей обработки фазы при освобождении от зашифрованного P кода, или могут относиться к фазе с половинной длиной волны (в приемниках с квадратурной обработкой сигнала).

1.2. Компоненты уравнений ГНСС наблюдений

Геометрическая дальность связывает координаты центра масс спутника, к которому относится теория его движения, и координаты объекта наблюдений, на котором устанавливается антенна приемника:

. (3)

Здесь - геоцентрический радиус-вектор спутника в момент выхода сигнала, - поправка для приведения измерений от фазового центра антенны спутника к его центру масс, - геоцентрический радиус-вектор пункта наблюдений в момент прихода сигнала, - поправка для приведения измерений от фазового центра антенны к центру знака. Без ущерба для строгости изложения поправки и в уравнении (3) опустим, а также не будем указывать моменты, к которым относятся координаты. Тогда

. (4)

Выражение (4) обычно приводится к линейному виду. Для этого вводятся приближенные (априорные) величины для векторов положений спутника и приемника . Чтобы ограничиваться первыми членами разложений, необходимо иметь их значения достаточно близкие к истинным значениям. Поправки к приближенным положения спутника и приемника обозначим через и . Таким образом,

, (5)

. (6)

Подстановка выражений (5) и (6) в (4) с последующим разложением в ряд Тейлора при ограничении до членов первого порядка дает:

(7)

Первый член в правой части выражения (7) является приближенным значением геометрической дальности

. (8)

Вектор является вектором частных производных от геометрической дальности по координатам, вычисленный с их приближенными значениями:

(9)

Он представляет собой единичный вектор направления с пункта А на спутник i.

Поправку к вектору положения спутника dri можно выразить через поправки в элементы орбиты и использовать измерения псевдодальности или фазы для уточнения параметров движения или параметров возмущающих сил.

Эфемериды спутников, поправки часов спутников. Эфемериды спутников СРНС могут представляться в нескольких формах. Эфемериды, транслируемые спутником в составе навигационного сообщения (бортовые эфемериды), приемник получает непосредственно в процессе измерений. Точность этих эфемерид постоянно улучшается: если в начале 1980-х годов для спутников GPS она составляла 20-30 м, то в настоящее время она доведена до 2 м. Если точность эфемерид бортового сообщения недостаточная, то можно воспользоваться эфемеридами и поправками часов Международной ГНСС службы.

Элементы приведения для фазовых центров спутниковых антенн. Элементы приведения для спутниковых антенн определяются из специальных исследований. Точность определения этих элементов для спутников GPS на уровне 0.5 см. Изменение пространственной ориентации спутников приводит к изменению проекций элементов приведения в геоцентрической системе координат.

Тропосферная задержка. Величина тропосферной задержки одинакова для наблюдений на L1 и на L2 как для измерений псевдодальностей, так и для фазы несущей. Значение гидростатической составляющей для зенитного направления составляет около 2.1 м и зависит только от давления, а величина влажной составляющей может колебаться от нескольких сантиметров примерно до 40 сантиметров и зависит главным образом от влажности. При переходе от зенитного направления к наклонным направлениям задержка увеличивается примерно пропорционально секансу высоты, достигая вблизи горизонта 20-30 м. Тропосферную задержку можно вычислить, используя значения температуры, давления и влажности как входные данные для одной из многих моделей атмосферной рефракции. Такие модели могут учитывать примерно до 90% задержки соответствующей преимущественно гидростатическому компоненту, однако остальные 10% (в основном из-за влажного компонента) будут серьезно влиять при высокоточном определении местоположения. Таким образом, большая часть тропосферной задержки поддается учету с использованием сравнительно простых моделей, но чтобы учесть остаток в 10-20 сантиметров потребуются значительные усилия, в том числе материальные затраты.

Ионосферная задержка. Влияние ионосферы распространяется на слои атмосферы примерно от 50 до 1000 км над земной поверхностью. Максимальная величина ионосферной задержки составляет в зените около 30 м, вблизи горизонта она почти в три раза больше. Дневная величина задержки примерно в 5-10 раз больше, чем ночью. Задержка изменяется в течение года и в течение 11-летнего цикла солнечной активности. Неоднородности в распределении электронов приводят к значительным пространственным изменениям в величине задержки, что затрудняет решение базовых линий длиной более 1000 км. Серьёзные помехи в наблюдениях возникают во время магнитных бурь. При этом возможны кратковременные (в течение нескольких секунд) многократные увеличения задержки. Величина задержки зависит от частоты, и ее влияние на псевдодальности и фазы происходит с противоположными знаками.

Многопутность (или многолучёвость) возникает во время приема антенной одновременно прямого сигнала спутника и сигнала, отраженного от окружающих ее поверхностей. Многопутность может вызывать «скачки» в измерении сигнала, которые являются функцией частоты. Теоретическое максимальное смещение из-за многопутности в псевдодальности может доходит до половины длины чипа, то есть 150 м для С/А кода и 15 м для Р-кода. Типичные ошибки обычно меньше 10 м. Влияние многопутности на фазу несущей не превышает примерно от длины волны. Оно изменяется по синусоидальному закону и обычно «усредняется» за период 10-15 минут или больше.

Для определения или предсказания влияния многопутности на позиционное решение не существует общей математической модели, однако ее влияние на наблюдение расстояния можно измерить по комбинации фазовых данных фазы несущей для L1 и L2 и псевдодальности.

Ошибки часов приемника и запаздывания сигналов. Спутниковые приемники оборудованы дешёвыми и компактными кварцевыми генераторами. В дополнение они имеют хорошую кратковременную стабильность частоты (или хранения времени). Некоторые приемники оборудованы портами для подключения к ним стандартов частоты.

Шкалу времени часов отдельного приемника можно привязать рядом способов к шкале системного времени, например, посредством навигационного решения по псевдодальностям. Точность воспроизведения этой шкалы времени определяется точностью синхронизации с бортовой шкалой времени спутника. Для спутников GPS при наличии режима SA она может выполняться только до уровня в 0.1 микросекунды времени и до 0.01 микросекунды при отсутствии SA, что эквивалентно ошибкам в расстоянии соответственно 30 и 3 м.

Запаздывание в цепях одноканального приемника является одинаковым для сигналов, принятых одновременно от разных спутников, и поэтому оно действует как дополнительная поправка часов приемника. Многоканальные приемники имеют межканальные сдвиги, которые тщательно калибруются. В современных приемниках эти сдвиги определяются до уровня в 0.1 мм.

Фазовый центр антенны приемника. Под фазовым центром антенны понимается точка, до которой производятся измерения расстояний от спутников. В идеале, положение фазового центра GPS антенны не зависит от направления сигнала. Однако на практике наблюдаются малые (меньше сантиметра) смещения фазового центра при изменении азимута и угла высоты спутника. При использовании антенн одинакового изготовления и одного типа моделей на обоих концах базовой линии действительное положение фазового центра становится не столь важным. В этом случае необходимо измерять только вертикальные высоты особых точек снаружи антенны над геодезическими марками.

Элементы приведения для антенны приемника. Определение этих элементов для антенны приемника включает измерение планового смещения и высоты опорной точки антенны над маркой геодезического пункта и введение в них поправок за изменение положения фазового центра. Но даже если привязка опорной точки антенны к марке выполнена безошибочно, влияние изменений в положении фазового центра из-за неточно выполненной калибровки может существенно влиять на точность измерений. При измерении больших элементов приведения необходимо учитывать уклонения отвеса.

Релятивистские эффекты. Система отсчёта покоя имеет начало в центре масс Земли, а движущиеся с ускорением системы отсчёта связывают с каждым спутником. Поэтому теории специальной и общей теории относительности необходимо учитывать. Релятивистские эффекты влияют на орбиты спутников, на сигналы спутников, а также на показания часов спутника и приёмника. При этом достаточно учитывать только гравитационное поле Земли, поскольку другие тела солнечной системы оказывают пренебрежимо малое влияние.

Влияние взаимной ориентации антенн спутника и приемника. Излучаемую спутниками ГНСС электромагнитную волну с правосторонней круговой поляризацией можно представить как вращающееся электрическое поле, которое распространяется через пространство от передающей антенны к принимающей антенне. В идеальном случае измеренная фаза несущей у принимающей антенны равна геометрическому углу между мгновенным электрическим полем у принимающей антенны и некоторым опорным направлением на этой антенне. Изменение ориентации передающей антенны изменяет направление электрического поля у передающей антенны, а, следовательно, и у принимающей антенны. Подобным образом изменение ориентации принимающей антенны изменяет на ней опорное направление и, таким образом, измеренную фазу. Для данного эффекта применяется термин «набег фазы» или компонент правосторонней круговой фазовой поляризации.

В дополнение, вращение принимающей антенны вызывает видимое изменение в частоте несущей GPS. Сдвиг по частоте, вызванный поляризацией, иногда называется вращательным доплером.

Фазовую поправку можно выразить аналитически через геометрические углы между передатчиком и приёмником и меньшее по величине изменение, полученное из калибровки.

1.3. Свойства параметров моделей наблюдений


Все виды измерений имеют смещения на одинаковую величину (эквивалентное расстояние) от поправок часов приемника и спутника, и тропосферной задержки.

Ошибка из-за многопутности (если присутствует) наибольшая для псевдодальностей по C/A коду, и наименьшая – для фазовых измерений.

Ионосфера вызывает большую часть расхождений в измерениях псевдодальностей на L1 и L2. Это эквивалентно расхождению в наблюдениях фаз на L1 и L2, когда они преобразованы в расстояние (в линейную меру).

Ионосферная задержка в C/A-кодовой псевдодальности равна задержке в Р-кодовой псевдодальности на L1, и равна по величине, но не по знаку, задержке в фазе на L1.

Неизвестная неоднозначность фазы на L1 отличается от неоднозначности фазы на L2, и они разные у разных спутников.

Находящиеся в уравнениях (1) и (2) поправки часов, тропосферная и ионосферная задержки, фазовая неоднозначность (только в уравнении (2)), и другие параметры являются линейно зависимыми. В таком виде определение всех неизвестных величин или поправок к ним становится невозможным, и для них требуется другое представление.

Для поправок часов спутника и приемника обычно применяются полиномиальные модели вида

(10)

где t0 –опорная эпоха. Параметры a0, a1 и a2 – соответственно поправка часов в опорную эпоху, ход часов и скорость хода.

В случае определения тропосферной задержки из наблюдений используется ее известное представление через гидростатическую и влажную зенитную задержку и гидростатическую и влажную функции отображения , зависящие от высоты спутника над горизонтом :

. (11)

Совместное определение гидростатической и влажной зенитных задержек из-за малых различий между функциями отображения не производится. Находится только влажная задержка, а гидростатическая задержка определяется по данным метеорологических измерений.

Подобное выражение для ионосферной задержки возможно через ионосферный фактор наклона OF, зависящий от зенитного расстояния спутника :

, (12)

где IZ - вертикальная ионосферная задержка. Для одного и того же спутника ионосферные задержки на диапазонах L1 и L2 связаны соотношением:

, (13)

где f1 и f2 – несущие частоты. Если решаются только позиционные задачи, то для псевдодальности на L1 обычно используется формула:

, (14)

при этом члены предполагаются известными, а и - подлежат определению. Уравнение для псевдодальности по С/А коду отличается только величиной запаздываний в аппаратуре приемника и спутника, а уравнение для псевдодальности на L2 содержит другую ионосферную поправку и другие запаздывания.

Уравнения для фазы для частот L1 и L2 с учетом поправок в положение спутника имеют вид:

(15)

(16)

Здесь в шумы измерений псевдодальности и фазы входят обычно неизвестные влияния многопутности.



Выводы по пункту 1.

1. С помощью аппаратуры, работающей по сигналам ГНСС, измеряется два вида параметров: псевдодальность, имеющая метровый уровень точности, и фаза несущей, имеющая миллиметровый уровень точности. Измерения псевдодальности носят дискретный характер, измерения фазы несущей должны быть непрерывными. Возникновение разрывов в наблюдениях фазы приводит к серьёзным осложнениям при обработке.

2. Измеренные псевдодальности и фазы несущей связаны с координатами наблюдателя и спутника, а также с параметрами аппаратуры и среды распространения сигнала. Входящие в уравнения связи параметры линейно зависимы, априорные значения параметров имеют, как правило, низкую точность, их очень сложно моделировать, они имеют разные спектрально-частотные характеристики и обладают пространственной и временной корреляцией.

3. Фазовые измерения являются неоднозначными. Разрешение неоднозначности при длине волны в 20 или 24 см, соизмеримой с точностью определения ряда параметров уравнения наблюдений, является чрезвычайно трудной задачей, без решения которой недостижима точность, соответствующая уровню шума измерений фазы.

4. Наблюдения могут выполняться на расстояниях в сотни и тысячи километров. Взаимное расположение пунктов наблюдений между сеансами и в процессе измерений из-за различных геодинамических и геофизических явлений может изменяться на величину, значительно превышающую точность измерений. Для применения спутниковых методов должны применяться системы отсчета и системы времени, соответствующие точности спутниковых методов. Это же относится к небесным системам отсчета и к параметрам связи земных и небесных систем отсчета.

5. При объединении наблюдений, выполненных по спутникам разных систем, например, GPS и ГЛОНАСС, возникают проблемы, связанные с применением в России и США разных систем отсчета и шкал времени. Поэтому для совместной обработки таких измерения требуются параметры связи систем координат и времени.

6. Для высокоточных измерений необходимо иметь параметры приведения фазовых центров антенн спутников к их центрам масс, а для приемников – элементы приведения фазовых центров к опорным точкам на антеннах.



Pages:     | 1 || 3 | 4 |   ...   | 9 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.