Презентация на тему Назначение глобальных систем спутникового позиционирования

ГЛОНАСС (Глобальная Навигационная Система) Разработка системы начата в

середине 1970-х. Развертывание начато в 1982 г. Принята в эксплуатацию в 1993 г. Открыта для гражданского использования в 1995 г.

GPS или NAVSTAR (Система Глобального Позиционирования или Навигационная Система определения Времени и Расстояния) Разработка системы начата в 1973 году. Развертывание начато в 1978 г. Принята в эксплуатацию в 1995 г.

Современные глобальные системы спутникового позиционирования (ГССП 2-го поколения)

О текущем состоянии орбитальной группировки GPS и ГЛОНАСС можно узнать на сайтах:
http://www.glonass-ianc.rsa..ru

ГССП GPS и ГЛОНАСС

и 17 ГЛОНАСС SV’s
Космический сегмент систем GPS и ГЛОНАСС

ГЛОНАСС
Подсистема космических аппаратов GPS
GPS satellite

IIA
GPS satellite, BLOCK IIR
Запуск спутника GPS, BLOCK IIR

Диего-Гарсия
атолл Кваджалейн

SV’s
Европейская глобальная навигационная система GALILEO (планируется к вводу в

эксплуатацию в 2013г.)

ГЛОНАСС
Фундаментальное уравнение космической геодезии (ФУКГ)
Матрица масштабов вдоль осей

координат

Матрица разворота референцной СК (Xr, Yr, Zr) относительно геоцентрической СК (X, Y, Z)

ГЛОНАСС
Геометрическая интерпретация (пространственная линейная засечка)
О
Абсолютное позиционирование

в локальную ТПСК
Известны геодезическая широта и долгота пункта

i – B, L

Тогда компоненты этой же базовой линии в ТПСК равны

назначение
Немодулированный сигнал (несущая)
Назначение несущих сигналов: 1. Служат носителями дальномерных

кодов, необходимых для получения расстояний определяемый пункт – спутник (кодовые псевдодальности). 2. Фазы несущих сигналов используются для получения расстояний определяемый пункт – спутник (фазовые псевдодальности) с наивысшей точностью. 3. Используются для передачи потребителям навигационного сообщения (эфемериды, альманах и т.д.).

Дальномерные коды и другая необходимая информация, встраиваются в несущие

колебания путем фазовой манипуляции (разновидность фазовой модуляции)

Принцип генерации фазоманипулированных сигналов

спутниками GPS
f0
154f0
120f0
Упрощенная схема формирования радиосигналов на спутнике

GPS

Режимы доступа AS – режим дополнительного шифрования P-code SA – режим селективного доступа (отменен в 2001 г.)

Дальномерные коды C/A-code – грубый код или код открытого доступа P-code – точный или защищенный код

115f0

спутниками ГЛОНАСС
f0
Упрощенная схема формирования радиосигналов на спутнике

ГЛОНАСС

Дальномерные коды СТ – код стандартной точности (аналог C/A-code); ВТ – точный код; Режимы доступа ограничения отсутствуют

(тактовый сигнал)
Выход (PRN-code)
Правила сложения битов информации
1 + 1 =

0; 0 + 0 = 0
1 + 0 = 1; 0 + 1 = 1

Образующий полином: 1 + X1

Кол-во символов в ПСП: M = 2k – 1, где k – кол-во разрядов в регистре

международными шкалами времени TAI (Time Atomic International),

UT (Universal Time), UTC (Universal Time Coordinated). Для перехода от системного времени GPS (GPST) и ГЛОНАСС (GLONASST) к UTC необходимо использовать формулы: GPST=UTC+nS, GLONASST=UTC+3h 00s, где nS – поправка, вводимая в GPST. Системное время GPS и ГЛОНАСС корректируется в последнюю секунду 31 декабря или 30 июня, или в обе даты, когда расхождение UTC и UT1 (UT, исправленное за смещение мгновенного полюса Земли относительно его среднего положения) превышает 0.9 с. За рубежом принято идентифицировать информацию, хранящуюся в БД и связанную с ГССП GPS и ГЛОНАСС, в соответствии с номером GPS недели (GPS week) и порядковым номером дня в ней. Счет GPS недель ведется с 6.01.1980 г. Для вычисления GPS week используется формула: GPSweek=int[(JD-2444244.5)/7], JD=int[365.25y]+int[30.6001(m+1)]+D+UT/24+1720981.5, y=Y-1 and m=M+12 if M<=2; y=Y and m=M if M>2; Например, файл точных эфемерид, соответствующий 17.12.2007 г. и хранящийся в БД сети IGS, получит наименование: igs14581.sp3.Z.

Системы времени, используемые в ГССП GPS и ГЛОНАСС

0.3 – 0.6 м.
Фазовый метод точность получения псевдодальностей ~0.002

м.

Вычисление псевдодальностей в ГССП GPS и ГЛОНАСС

приемнике
Часы приемника tr
Часы спутника ts
Δτ = (Ts – Tr)

Кодовый метод

Теоретически:

rs= сΔτ = с [NTп + (m + ф) Tm]. (4)

Учитывая, что λ = cТ, получаем

rs = Nλп + (m + ф) λm. (5)

Практически, в простейшем случае имеем
Prs = c(tr+ tr) – c(ts + ts) =

= c(tr – ts) + c(tr – ts) = rs + ctr – cts. (6)

приемнике
Часы приемника tr
Часы спутника ts
Δτ = (Ts – Tr)

Фазовый метод

Теоретически:

Практически, в простейшем случае имеем

измерений
Систематические («смещения») неустранимы путем осреднения результатов измерений
1. Ошибки,

связанные с погрешностями исходных данных, главенствующая роль в которых принадлежит неточностям эфемерид спутников, определяющих их положение в пространстве в любой момент времени. 2. Ошибки, обусловленные влиянием внешней среды на распространение дальномерного сигнала. К ним относятся ионосферные и тропосферные задержки, отражение радиоволн от окружающих предметов (многолучевость или многопутность), препятствия на пути сигнала, релятивистские эффекты. 3. Нестабильность работы опорного генератора спутника. Задержки сигнала в аппаратуре спутника и приемника, неточность знания положения фазового центра антенны приемника. 4. Геометрический фактор – влияние геометрии взаимного расположения наблюдаемых спутников на результаты позиционирования. Существуют и другие ошибки, не относящиеся ни к одной из перечисленных групп, например, ошибки трансформирования результатов позиционирования из системы координат WGS-84 в ПЗ-90 и т.д.

Источники ошибок, оказывающие влияние на результаты позиционирования при помощи ГССП GPS и ГЛОНАСС

точность позиционирования

псевдодальности, обусловленное влиянием ионосферы
δPIono может принимать значения от 0.15

до 50 м. При отсутствии учета ионосферной рефракции базовые линии оказываются преуменьшенными на величину 0.08TVEC [ppm].

Моделирование ионосферной рефракции (модель Джона Клобушара)

А1 = 5ns, А2 – амплитуда, А3 – фаза, А4 – период функции δtIono .

TEC
Пусть измерены дробные части разности фаз спутникового сигнала

на частотах L1 и L2, тогда их линейной комбинацией называется величина

Ионосферно-свободная линейная комбинация кодовых и фазовых измерений

во влажном слое: - по величине < 40 см; - главным

образом зависят от концентрации водяных паров в приземном слое атмосферы; - быстро изменяются со временем.

Тропосферные искажения

Абсолютные δPTropo = 10см дает δb = 0.05ppm

Искажение псевдодальности, обусловленное влиянием тропоферы, может изменяться в пределах от 2.4м (z = 0º) до 24.2м (z = 85º). Условно тропосфера подразделяется на два слоя – «сухой» и «влажный».

Искажения в сухом слое: - составляют 90% от общего искажения псевдодальности в тропосфере; - главным образом зависят от давления на поверхности Земли; - медленно изменяются со временем (1см/6ч).

Относительные δPTropo = 1см дает δH = 3см

измерений
Моделирование тропосферы (менее трудоемко и более просто, но менее точно)
Оценка параметров

тропосферы (более трудоемко и сложно, но более точно)

Методы учета тропосферной рефракции

моделей тропосферы, например, модели Хопфилда (Hopfield,1969), Саастамоинена (Saastamoinen, 1973)

и др. Все модели строятся на основе общей формулы

В формуле (13) величины δPdry, δPwet вычисляются с использованием информации о температуре T, давлении P и влажности ε в пункте наблюдений. Эта информация может быть получена путем экстраполяции стандартных значений T, P и ε в пункте наблюдений или путем метеорологических наблюдений в GPS/ГЛОНАСС пункте.

Оценивание параметров тропосферы

Искажение псевдодальности из-за влияния тропосферной рефракции может рассматриваться как кусочно-непрерывная линейная функция, либо как случайный (стохастический) процесс. Во втором случае для оценки параметров тропосферы используется фильтр Кальмана, а в первом случае используется формула

многолучевости на результаты GPS/ГЛОНАСС измерений
Переотражение сигнала может привести

к ошибкам в измерении псевдодальностей по коду и фазе несущей до 20м (код) и несколько см (фаза). Особенно ярко эффект многолучевости проявляется при наблюдении НИСЗ с малыми углами возвышения. При увеличении высоты антенны над поверхностью величина искажений растет, но период уменьшается и наоборот. Эффект многолучевости слабо поддается моделированию, но хорошо осредняется за длительный период времени или фильтруется сидерическим фильтром. Хорошо себя зарекомендовали плоские экраны-отсекатели и экраны типа choke-ring.

многолучевости на результаты обработки фазовых GPS измерений

для h = 1.5м и θ = 10º
Радиоволны способны

огибать препятствия, сравнимые с длиной волны сигнала, т.е. около 20-25 см. При измерениях по фазе несущей важно каждое измерение, а при кодовых нет, т.к., например, один символ C/A-code вмещает около 1500 несущих колебаний. Поэтому кодовые наблюдения возможны даже под кронами деревьев.

антенны на результаты GPS/ГЛОНАСС позиционирования
Вариации фазового центра описываются моделью

вида

Графики вариации фазы принимаемого сигнала для двух типов антенн

ASHTECH CR L1

AOA RASCAL L1

GPS/ГЛОНАСС позиционирования
DOP является связующим звеном между точностью псевдодальномерных измерений

σmes и точностью позиционирования σ:

Матрица весовых коэффициентов координат точки

В одновременно измеряются фазовым методом псевдодальности до спутников i

и j, тогда для фиксированного момента времени t можем записать два уравнения

Вычитая из уравнения (20) уравнение (19) получаем выражение для первых разностей

Если в момент t наблюдается еще один спутник j, образуем для него уравнение первых разностей

Вычитая из уравнения (22) уравнение (21) получаем выражение для вторых разностей

Если спутники i и j наблюдается в два момента времени (эпохи) t1 и t2, то записывая уравнения вторых разностей для обеих эпох и находя их разность, получаем уравнение третьих разностей

поправок (коррекций) к псевдодальностям
Трансляция поправок
Вычисление скорректированных псевдодальностей

Дифференциальное позиционирование

DGPS системы по охвату территории делятся на:
Локальные (создаются пользователем)

Региональные (WAAS, EGNOS, MSAS, SNAS, OMNISTAR, RACALL)

Глобальные (GDGPS (JPL NASA) и StarFire (NavCom))

Дифференциальное позиционирование может осуществляться по кодовым и фазовым измерениям (RTK) в режиме реального времени

измерений. 1). По известной точке (координаты которой в СК WGS-84

определены с точностью не хуже 5см). 2). Статическая инициализация. 3). ON THE FLY – на лету (может быть использована только с двухчастотными приемниками). 4). ANTENNA SWAPPING – способ перестановки антенн.

– «от общего к частному» – полностью справедливо при

проектировании и построении геодезических GPS/ГЛОНАСС сетей!

Методы построения геодезических GPS/ГЛОНАСС сетей

Сетевой метод (требует больших затрат временных и материальных ресурсов, а также денежных средств; обеспечивает наличие избыточных измерений)

Лучевой метод (более экономически выгоден, избыточные измерения отсутствуют)

выполнению независимых и однородных измерений в спутниковой сети, а

также включению в ее состав достаточного количества избыточных измерений!

1

2

независимый GPS вектор

независимый GPS вектор

зависимый GPS вектор

3

Примеры лучевого и сетевого методов построения GPS/ГЛОНАСС сетей

величин, истинные значения которых X1, X2, …, Xn, а

измеренные значения равны x1, x2, …, xn, причем количество измерений n избыточно по отношению к числу определяемых параметров r. Теоретически имеем φ1(X1, X2, …, Xn) = 0, … (29) φr(X1, X2, …, Xn) = 0. Практически имеем φ1(x1, x2, …, xn) = W1, … (30) φr(x1, x2, …, xn) = Wr. Для того, чтобы устранить невязки W1, W2, …, Wr необходимо исправить измерения поправками v1, v2, …, vn. Тогда получим φ1(x1 + v1, x2 + v2, …, xn + vn) = 0, … (31) φr(x1 + v1, x2 + v2, …, xn + vn) = 0. Решение системы уравнений (31) выполняется по МНК под условием [pv2] = min, полагая, что ошибки измерений подчиняются нормальному закону распределения. Среднеквадратические ошибки измерений, необходимые для вычисления априорных весов измерений, используемых при уравнивании, получают из выражений σi = a + bDi, pi = (σ0 / σi)2.

при уравнивании GPS/ГЛОНАСС сетей обычно используются компоненты базовых линий

Δxi, Δyi, Δzi. В GPS/ГЛОНАСС сетях возникают следующие виды условий

Замкнутый векторный ход (полигон)

Векторный ход между двумя пунктами с известными координатами

только при наличии в сети избыточно измеренных величин!!!
Цели уравнивания

спутниковых измерений: 1. Поиск и исключение грубых ошибок в результатах измерений; 2. Оценка и соответствующее распределение случайных ошибок измерений. 3. Получение единственного набора значений определяемых параметров; 4. Оценка точности полученных значений определяемых параметров;

ошибочных координат пункта; - ввод ошибочного названия пункта; - ошибочное измерение

высоты антенны;

Систематические ошибки Примеры: - влияния внешней среды при непродолжительных сеансах наблюдений (многолучевость, атмосферная рефракция и т.д.); - указание неправильного метода измерения высоты антенны;

Случайные ошибки Примеры: - атмосферная рефракция при длительных периодах измерений;

Абсолютная точность (accuracy) характеризует степень близости результатов измерений к

их истинному значению. Внутренняя сходимость (precision) характеризует степень близости результатов измерений друг к другу или их среднему значению.

результатов GPS измерений

разность между уравненным значением измеряемой величины и ее отдельным

значением, полученным в ходе наблюдений или их обработки. Нормированная поправка – это поправка деленная на среднеквадратическую ошибку ее определения.

Величина σ среднеквадратической ошибки уравненного значения искомой величины гарантирует, что при бесконечно большом количестве измерений, выполненных в одинаковых условиях, 68% всех возможных измеренных значений данной величины будут находиться в интервале (-σ; σ).

1σ

1σ

1.96σ

1.96σ

Структура ковариационной матрицы i-й базовой линии, полученная в результате

постобработки GPS или ГЛОНАСС измерений

Реально в результате постобработки или уравнивания GPS/ГЛОНАСС измерений непосредственно получается матрица весовых коэффициентов Q и среднеквадратическая ошибка единицы веса σ0. Структура матрицы Q для i-й базовой линии показана ниже

показать, что: - если СКОЕВ=1, ошибки уравненных измерений оценены совершенно

точно, т.е. гарантируется корректность соотношения между поправками и их ошибками; - если СКОЕВ<1, ошибки уравненных измерений переоценены; - если СКОЕВ>1, ошибки уравненных измерений недооценены; Важное замечание: если СКОЕВ>>1, в измерениях присутствует грубая ошибка (ошибки).

геоцентрической СК (например, ITRF2005) Используется для: - контроля качества и оценки

точности выполненных GNSS измерений.
получения высокоточных координат пунктов сети в единой общемировой СК
хранения, сопоставления и обработки данных GNSS измерений, полученных в
разных сетях, различным оборудованием и в разные эпохи наблюдений.

Перевычисление полученных данных в местные СК по точным формулам Используется для: - получения и оценки точности координат пунктов сети в системе координат пользователя; - удобства дальнейшей обработки и представления ее результатов

(минимально ограниченное) уравнивание Используется для: - контроля качества и оценки точности

выполненных GPS/ГЛОНАСС измерений.

Полностью ограниченное уравнивание Используется для: - получения и оценки точности координат пунктов сети в системе координат пользователя; - проверки качества опорных пунктов, фиксирующих систему координат пользователя; - определения параметров преобразования (трансформации) сети из системы координат WGS-84 в систему координат пользователя.

Цель трансформации – преобразование результатов GPS/ГЛОНАСС позиционирования в заданную

систему координат, определяемую пользователем. Как правило, трансформация плановых координат и высот пунктов GPS/ГЛОНАСС сети осуществляется раздельно.

системы WGS-84 в систему координат пользователя
Преобразование геоцентрических координат

пунктов (X, Y, Z), определенных в системе координат WGS-84 (GPS) или ПЗ-90 (ГЛОНАСС), в геодезические координаты (B, L, H)

Преобразование геодезических координат пунктов (B, L) в плоские прямоугольные координаты (x, y) в требуемой проекции

Вычисление по совмещенным пунктам параметров преобразования координат (x, y) в систему координат пользователя (разворот, масштабный коэффициент, смещение начал отсчета). Для определения параметров преобразования требуется 2 совмещенных пункта. Если совмещенных точек больше, параметры преобразования определяются по МНК с оценкой точности.

H γ = ∆h – Yr dα1 + Xr

dα2

WGS-84 в систему координат пользователя
Преобразование геоцентрических координат пунктов

(X, Y, Z), определенных в системе координат WGS-84 (GPS) или ПЗ-90 (ГЛОНАСС), в геодезические координаты (B, L, H)

Вычисление по совмещенным пунктам параметров преобразования (два угла разворота, вертикальное смещение) геодезических высот H в нормальные высоты H γ. Для определения параметров преобразования требуется 3 совмещенных пункта. Если совмещенных точек больше, параметры преобразования определяются по МНК с оценкой точности.

блок
Блок питания
Радиочастотный блок ___________________________ Блок микропроцессоров
Запоминающее устройство
Блок управления

на GPS); 2) Двухсистемные (GPS и ГЛОНАСС). Классификация по видам принимаемого

сигнала. 1) Кодовые (C/A-code), одночастотные; 2) Кодовые двухчастотные (C/A-code, P-code); 3) Кодово-фазовые одночастотные (C/A-code, P-code, фаза несущей L1); 4) Кодово-фазовые двухчастотные (C/A-code, P-code, фаза несущей L1 и L2).

При практическом выполнении спутниковых наблюдений следует соблюдать следующие общие

рекомендации: 1) Выполнять измерения в местах с наилучшим обзором небосвода и минимальным количеством препятствий, превышающих угол отсечки (маску), установленную в приемнике. Рекомендуемая величина маски 10º-15 º. Необходимо учитывать, что наименьшее количество спутников наблюдается в северной части небосвода. 2) Не производить наблюдений вблизи мощных источников радио-излучения близкого к GPS/ГЛОНАСС частотного диапазона. 3) Не производить наблюдений вблизи объектов, способных переотразить спутниковых сигнал (стены зданий, металлические решетчатые фермы, мачты и т.п., обширные водные поверхности). 4. Выбирать для наблюдений периоды с наибольшим количеством наблюдаемых спутников, имеющих максимальное возвышение над горизонтом. 5. Соответствующим образом увеличивать продолжительность сеанса наблюдений при уменьшении количества наблюдаемых спутников и увеличении длины наблюдаемой базовой линии. 6. При высокоточных измерениях всегда использовать штатные экраны-отсекатели для снижения воздействия многолучевости на результаты измерений (или антенны типа Choke-Ring), а также ориентировать антенну в северном направлении при помощи маркеров, нанесенных на ее поверхность. 7. При высокоточных измерениях очень тщательно (лучше дважды) измерять высоту антенны на геод. центром и корректно фиксировать метод измерения высоты (наклонная, вертикальная, до кромки экрана и т.д.). 8. При работе без контроллера тщательно записывать имя точки, моменты начала и конца наблюдений, высоту антенны и способ ее измерения, тип используемого приемника и антенны.

Количество непрерывно отслеживаемых спутников (желательно чтобы их было 5-6

и больше); 2) PDOP (чем он меньше тем лучше). Желательно, чтобы его величина PDOP находилась в пределах 1-3. 3) Количество эпох наблюдений по каждому отслеживаемому спутнику (позволяет выявить срывы цикла). 4) Продолжительность сеанса наблюдений.