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 || 6 | 7 |   ...   | 9 |

Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии

-- [ Страница 5 ] --

Точное позиционирование требует выявлять и полностью исправлять пропуски циклов до выполнения решений базовых линий. Выявление пропусков циклов и их восстановление все еще является сложной задачей, даже после многих лет поисков, в начале которых предполагалось, что потери циклов в будущем не станут особой проблемой из-за совершенствования приемников.

2.7. Теоретические основы методов спутникового позиционирования


Методы определений координат. Определение координат по наблюдениям спутников навигационных систем выполняются абсолютными, дифференциальными и относительными методами. В абсолютном методе координаты поучаются одним приемником в системе координат, носителями которой являются станции подсистемы контроля и управления и, следовательно, сами спутники навигационной системы. При этом реализуется метод засечки положения приемника от известных положений космических аппаратов.

В дифференциальном и относительном методе наблюдения производят не менее двух приемников, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами, а второй совмещен с определяемым объектом. В дифференциальном методе по результатам наблюдений на опорном пункте отыскиваются поправки к соответствующим параметрам наблюдений для неизвестного пункта или к его координатам, то есть наблюдения обрабатываются раздельно. Этот метод обеспечивает мгновенные решения, обычно называемые как решения в реальном времени. В них достигается более высокая точность, чем в абсолютном методе, но только по отношению к опорной станции. В относительном методе наблюдения, сделанные на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. В этом методе определяется вектор между опорным и определяемым пунктом, называемый вектором базовой линии.

Определение координат абсолютным методом по кодовым псевдодальностям. В абсолютном методе приемник определяет свои координаты, скорость и время по спутникам СРНС независимо от других приемников (рисунок 2).

Рисунок 2 Абсолютный метод спутниковых определений

Основным параметром, по которому находятся координаты, является псевдодальность (уравнения (1), (14)). Практическое применение этих уравнений возможно, если в измерение псевдодальности ввести все поддающиеся учету поправки. Поправка часов спутников GPS берётся из навигационного сообщения. Задержки сигнала в аппаратуре спутника и в приемнике определяются путем калибровок или вообще не учитываются, как и многопутность сигнала.

Координаты спутников вычисляются по навигационному сообщению на момент выхода сигнала , где . Из-за того, что векторы положений спутников задаются в одной из общеземных систем (ПЗ-90, WGS-84), не являющихся инерциальными, их необходимо корректировать поправкой за поворот Земли за время прохождения сигнала :

(38)

где - угловая скорость вращения Земли. Высота спутников СРНС 19-20 тыс. км, поэтому время прохождения сигнала будет не меньше 63-66 мс. Земля поворачивается со скоростью 15/с, поэтому угловое смещение Земли при вращении вокруг своей оси составит около 1. Если общеземные координаты применяются без этой поправки, то координаты определяемой станции будут смещены примерно на 1 по долготе.

Воспользуемся уравнением (14), считая, что координаты спутников известны, а в приближенное положение пункта требуется отыскать вектор поправок . Тогда в уравнении (14) оказывается четыре неизвестных: три координаты станции XA, YA, ZA и поправка часов приемника dtA, и уравнение поправок получается в виде:

(39)

где - свободный член,

, (40)

а в невязку вошли шумы измерений, ошибки координат спутника и все остальные не моделируемые ошибки.

Для определения четырех неизвестных уравнения (39) необходимо, чтобы число наблюдений равнялось или было больше, чем число неизвестных. Это условие достаточное, но оно не обязательно дает решение. Матрица нормальных уравнений может оказаться плохо обусловленной, что приведет к известному положению, называемому дефектом ранга.

Определение координат абсолютным методом по фазовым измерениям. Математическую модель для этих измерений (с учетом набега фазы RHCP) можно представить как

(41)

Решение уравнения (41) с точностью на уровне шума измерений фазы требует значительных усилий. Во-первых, для того, чтобы был максимальный эффект от использования точных фазовых измерений, необходимо иметь файлы точных эфемерид и поправок часов.

Во-вторых, необходимо иметь очень точные модели тропосферной и ионосферной поправок, а также иметь данные о задержках в аппаратуре. Набег фазы RHCP достаточно уверенно моделируется при условии сохранения ориентации спутника в пространстве. Для учета тропосферы спутниковые наблюдения необходимо сопровождать отслеживанием метеорологических параметров, а для учета ионосферы с максимально возможной точностью необходимы фазовые двухчастотные измерения, чтобы получать комбинацию фаз, свободную от влияния ионосферы. Кроме того, для уверенного разрешения неоднозначностей необходимо, чтобы одновременно с измерениями фаз определялись P(Y)-кодовые псевдодальности.

Дифференциальный метод СРНС. Суть дифференциального метода сводится к тому, что приемник базовой станции, используя точные координаты фазового центра своей антенны, определяет из наблюдений спутников поправки для координат или псевдодальностей (или для фаз), которыми мобильный приемник исправляет свои соответствующие параметры и в результате получает точные координаты. В основе этого приема лежит положение о том, что влияние различных источников ошибок на результаты измерений медленно изменяется со временем и с удалением между приемниками.

Дифференциальные поправки от базовой станции к полевому приемнику могут передаваться при постобработке или в реальном масштабе времени. В локальном дифференциальном методе (LDGPS) работает одна базовая станция, обслуживающая все ближайшие мобильные приемники. Падение точности из-за уменьшения корреляции между ошибками по мере удаления мобильных приемников от базовой станции привело к идее использования нескольких базовых станций. На этом основана работа широкозонных (WADGPS) и даже глобальных (GDGPS) подсистем DGPS, в которых по данным сети базовых станций строится пространственно-временная модель поправок.

Множественные опорные станции. Использование нескольких станций в широкозонном дифференциальном методе для улучшения положений, определяемых по кодовым данным (или кодовым данным со сглаживанием по фазе несущей), было с большим успехом использовано и в пост-обработке, и в режиме реального времени. Естественное расширение этой концепции – использование более точных измерений фазы несущей в подобном сетевом методе. Применение сети опорных станций для выполнения дифференциальных измерений по фазе несущей дает одно из самых важных преимуществ, – это расширение надежности и доступности обслуживания. Другое весьма важное преимущество сетевого метода состоит в том, что он позволяет моделировать пространственно коррелированные ошибки от ионосферных и тропосферных влияний и от орбит. Прямой результат от моделирования коррелированных ошибок, – это улучшение в разрешении неоднозначностей фазы несущей (включая длинные линии), что необходимо для получения координат потребителя на сантиметровом уровне точности. Это приводит к увеличению площади, на которой можно работать методом множественных опорных станций (рисунок 3).

  Число опорных станций по концепции одиночных опорных станций (слева) и-117

Рисунок 3 Число опорных станций по концепции одиночных опорных станций (слева) и множественных опорных станций (справа)

Наконец, сетевой метод позволяет образовывать наблюдения для виртуальной опорной станции (ВОС), которая может располагаться ближе к станции пользователя, чем любая из постоянных реальных опорных станций, что приводит к улучшению позиционирования. Такие преимущества метода виртуальных опорных станций обеспечивают большую гибкость, позволяя пользователю применять его текущие приемники и программы обработки, без приобретения какой-либо «специальной» программы обработки фазовых наблюдений.

Относительный метод. В этом методе передача координат от опорного пункта А к неизвестному пункту В производится в соответствии с соотношением

RB=RA+DAB, (42)

где RA, RB - соответствующие векторы положений пунктов в общеземной системе, а DAB – вектор базовой линии.

Относительное позиционирование может производиться и статическим, и кинематическим методом. В статических измерениях отдельного вектора базовой линии предполагается, что на двух пунктах А и В можно наблюдать одни и те же спутники i, j в одни и те же эпохи. Предположим, что уравнения измеренных фаз (в единицах расстояния) имеют вид:

(43)

Это подразумевает, что параметры часов спутника, тропосферные и ионосферные задержки не определяются, а считаются известными или будут исключаться при обработке. Этот набор данных можно было бы решать для каждого пункта отдельно, что было бы эквивалентно точечному позиционированию. В относительном методе может использоваться любая математическая модель: одинарные, двойные и тройные разности.

В кинематическом позиционировании приемник на известной точке А в начале базовой линии остается фиксированным. Второй приемник перемещается, а его положения должны определяться в произвольные эпохи. Движение мобильного приемника отражается в неявной форме в уравнениях для одинарных, двойных и тройных разностей через геометрическую дальность. Для получения позиционного решения на неизвестной точке необходимо, чтобы было известно хотя бы одно положение движущегося приемника. Это достигается в инициализации кинематических измерений. Предпочтительно (но не обязательно), что это будет стартовая точка движущегося приемника. Базовая линия, связанная с начальной позицией, обозначается как стартовый вектор. С известным стартовым вектором определяются неоднозначности и все последующие позиции движущегося приемника до тех пор, пока не произойдет потеря захвата сигналов, или будет наблюдаться менее четырех спутников.

Инициализация на земле может выполняться одним из трех методов:

- наблюдение на точках с известными координатами,

- наблюдение базовой линии,

- обмен между приемниками точками установки их антенн.

Некоторые применения требуют кинематический метод без статической инициализации, поскольку движущийся объект, чье положение должно вычисляться, находится в постоянном движении. Этот наиболее сложный случай представляет собой инициализацию в движении (на лету, On-the-Fly, OTF).

Решение базовых линий. Нелинейная функциональная модель для двойной разности фаз, полученной по одновременным измерениям приемниками А и В сигналов, переданных спутниками i и j, записывается в виде уравнения:

(44)

Особенность данного уравнения наблюдений состоит в том, что двойные разности фазовых неоднозначностей могут быть только целыми величинами. Классическая теория уравнивания по МНК была разработана на основе предпосылок о том, что все параметры являются вещественными числами, поэтому хорошо известные методы классической теории уравнивания здесь реально неприменимы. Конечно, можно попытаться применить классическую теорию уравнивания, поскольку область существования целых чисел является частью области вещественных чисел. Следствием такого подхода, однако, является то, что при этом теряется очень полезная информация. Поэтому полученное решение не будет максимально точным, и ставится цель найти по вещественным неоднозначностям их соответствующие целые значения, и уже с ними определить компоненты вектора базовой линии.

Другой особенностью уравнения поправок для двойной разности является то, что для его составления необходимо иметь как можно более точные координаты конца базовой линии, то есть для точки B.

Главными шагами при обработке отдельной базовой линии по фазовым данным являются:

- определение координат неизвестного пункта абсолютным методом,

- решение по тройным разностям,

- решение по двойным разностям фаз с вещественными (плавающими) неоднозначностями,

- поиск целых неоднозначностей,

- решение по двойным разностям с фиксированными целыми неоднозначностями.

Решение по тройным разностям обеспечивает хорошие априорные величины для компонент базовой линии. В чрезвычайных обстоятельствах решение по тройным разностям может быть единственным достаточно надежным. После первого решения могут понадобиться последующие решения, поскольку априорное положение пункта В могло оказаться недостаточно точным.

Для решения по двойным разностям фаз используется следующая модель:

(45)

Решения по двойным разностям чувствительны к потерям счета циклов, но могут оказаться чувствительным к ряду внутренних факторов, таким как порядок образования двойных разностей между спутниками, критерии отбраковки данных, учет корреляций при образовании разностей. Решение также чувствительно к внешним факторам, таким как длина базовой линии и продолжительность наблюдательной сессии, геометрия спутник-приемник (включая количество наблюдавшихся спутников), остаточные смещения в данных двойных разностей из-за атмосферных неоднородностей, многопутность и т.д.

Функциональная модель для решения с фиксированием целых неоднозначностей фаз представляется уравнением, в котором вектор неизвестных содержит только поправки в координаты конечного пункта базовой линии, а найденные целые неоднозначности вошли в свободный член уравнения поправок:

(46)

Такое решение по двойным разностям является сравнительно сильным (здесь меньше параметров для оценивания), но оно оказывается надежным только в том случае, если найдены правильные целые значения неоднозначностей.

При обработке двухчастотных данных появляются дополнительные возможности в виде образования комбинаций фаз. Наиболее часто используются для геодезических измерений:

1. обработка данных L1 и L2 раздельно,

2. обработка комбинации, свободной от влияния ионосферы,

3. обработка «широкополосной» комбинации, возможно в итеративной процедуре с другими типами наблюдений,

4. использование узкополосной, широкополосной, свободной от ионосферы и свободной от геометрии комбинаций в определенном сочетании, облегчающем разрешение неоднозначностей.

Разрешение неоднозначности фазы. Под разрешением неоднозначности фазы понимается процесс преобразования вещественных параметров неоднозначностей в наиболее вероятные целые значения. Эта проблема является ключевой при обеспечении высокой точности спутниковых измерений.

Разработано несколько процедур поиска целых неоднозначностей, каждая со своими геометрическими условиями, в которых исследуются либо неоднозначности, либо наиболее подходящие координаты, либо измерения (рисунок 4). Простое округление вещественной неоднозначности до ближайшего целого здесь не дает эффекта, поскольку погрешность в ней может достигать нескольких длин волн. Поэтому во многих методах применяется перебор возможных кандидатов на решение, а для нахождения лучшего среди них используется критерий Фишера.

  Схема методов поиска целых неоднозначностей В последнее время одним из-124

Рисунок 4 Схема методов поиска целых неоднозначностей

В последнее время одним из самых популярных является разработанный в Голландии беспереборный метод LAMBDA. Разработаны так же методы разрешения фазы по измерениям на трех частотах.


2.8. Особенности обработки наблюдений спутников ГЛОНАСС

Объединение GPS и ГЛОНАСС или любых других будущих систем имеет несколько практических и научных преимуществ. Во-первых, увеличивается число доступных спутников, что так же подразумевает увеличение числа наблюдений в эпоху. При полном развёртывании систем ГЛОНАСС и GPS объединённое созвездие будет состоять из 48 спутников. В этом случае на любом открытом месте и в любое время можно видеть не менее 12 спутников. Максимальное число видимых спутников в лучшем случае равно 20. Доступность большого числа спутников будет улучшать геометрию наблюдений и, следовательно, будет лучше учитывать корреляции тропосферных зенитных задержек и оценки высот станции. Это будет также приводить к более быстрому и более надежному разрешению неоднозначностей, что сделает быструю статику и кинематику более лёгкими, чем по каждой системе в отдельности. Совместная обработка в относительном методе фазовых измерений позволит повысить надежность и точность определения геодезических параметров. Особенно это будет заметно при наблюдениях в районах с ограниченной радио видимостью – в лесу, горах, городах с высотной застройкой, в карьерах, а также в полярных регионах из-за большего наклонения орбит спутников ГЛОНАСС по сравнению со спутниками GPS (65° против 55°).

Кодовые измерения. Хотя спутники ГЛОНАСС передают свои сигналы на разных частотах, уравнение для псевдодальности имеет тот же вид, что и для GPS (см. уравнение (1)). Особенность его состоит в том, что различные частоты спутников ГЛОНАСС и GPS приводят к разным ионосферным задержкам , которыми в данном контексте можно пренебречь. Разными оказываются также запаздывания в приемнике и аппаратуре спутника . Согласно Интерфейсному контрольному документу ГЛОНАСС, недетерминированная часть групповых задержек в аппаратуре для спутников ГЛОНАСС составляет ±8 нс, а для спутников ГЛОНАСС-М - ± 2 нс. Шум измерений по спутникам ГЛОНАСС будет в два раза выше, чем по спутникам GPS из-за более низкой тактовой частоты и как следствие – большей длины одного элемента кодовой последовательности (600 м в ГЛОНАСС по сравнению с 300 м в GPS). Объединение измерений ГЛОНАСС и GPS требует использования единой системы координат и времени. Параметры связи координатных систем WGS-84 и ПЗ-90 с точностью, достаточной для кодовых измерений, были определены учеными России и США.



Pages:     | 1 |   ...   | 3 | 4 || 6 | 7 |   ...   | 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.