- •Предисловие ко 2-му изданию
- •Введение
- •Раздел 1. Основные принципы действия спутниковых систем определения местоположения
- •1.1. Особенности геодезических измерений спутниковыми методами
- •1.2. Двусторонний и односторонний методы дальномерных измерений
- •1.4. Общие принципы построения глобальных спутниковых систем позиционирования
- •1.5. Космический сектор
- •1.5.1. Краткие сведения о спутниках, входящих в состав систем позиционирования
- •1.5.2. Назначение и схемная реализация устанавливаемой на спутниках аппаратуры
- •1.5.3. Высокостабильные спутниковые опорные генераторы
- •1.5.4. Принципы формирования кодовых последовательностей
- •1.5.5. Содержание и формирование на спутнике навигационного сообщения
- •1.5.6. Методы объединения и формы передачи радиосигналов со спутника в аппаратуру потребителя
- •1.6. Сектор управления и контроля
- •1.6.1. Основные функции сектора
- •1.7. Сектор потребителя (приемно-вычислительный комплекс)
- •1.7.1. Функции геодезического приемно-вычислительного комплекса
- •1.7.2. Обобщенная структурная схема геодезического спутникового приемника
- •1.7.4. Селекция сигналов, поступающих от различных спутников
- •1.7.6. Принципы демодуляции принимаемых сигналов
- •1.7.7. Краткие сведения о работе системы управления GPS-приемника
- •Раздел 2. Методы измерений и вычислений, используемые в спутниковых системах определения местоположения
- •2.1. Абсолютные и относительные методы спутниковых измерений
- •2.2. Основные разновидности дифференциальных методов
- •2.4. Принцип измерения псевдодальностей и практическое использование данного метода
- •2.5. Упрощенный анализ фазовых соотношений при спутниковых дальномерных измерениях
- •2.6. Первые, вторые и третьи разности, базирующиеся на фазовых измерениях несущих колебаний
- •2.6.1. Первые разности
- •2.6.2. Вторые разности
- •2.7. Интегральный доплеровский счет
- •2.8. Принципы разрешения неоднозначностей при фазовых измерениях
- •2.8.1. Геометрический метод
- •2.8.3. Метод поиска наиболее вероятных значений целого числа циклов
- •2.8.4. Нетривиальные методы разрешения неоднозначности
- •2.9. Выявление пропусков фазовых циклов
- •2.10. Общая схема обработки наблюдаемых данных
- •Раздел 3. Системы координат и времени, используемые в спутниковых измерениях
- •3.1. Роль и значение координатно-временного обеспечения для спутниковых методов определения местоположения
- •3.1.2. Краткие сведения о системах отсчета времени, используемых в GPS и ГЛОНАСС
- •3.2. Координатные системы, характерные для GPS и ГЛОНАСС
- •3.2.1. Звездные системы координат
- •3.2.2. Геодезические системы координат и их преобразования
- •3.2.3. Переход к общеземной системе координат
- •3.2.4. Геоцентрическая координатная система ПЗ-90
- •3.2.5. Геоцентрическая координатная система WGS-84
- •3.3. Методы преобразования координатных систем для спутниковой GPS-технологии и параметры перехода
- •3.4. Особенности определения высот с помощью спутниковых систем
- •Раздел 4. Основные источники ошибок спутниковых измерений и методы ослабления их влияния
- •4.1. Классификация источников ошибок, характерных для спутниковых измерений
- •4.3. Учет влияния внешней среды на результаты спутниковых измерений
- •4.3.1. Влияние ионосферы
- •4.3.2. Влияние тропосферы
- •4.3.3. Многопутность
- •4.4. Инструментальные источники ошибок
- •4.4.1. Ошибки, обусловленные нестабильностью хода часов на спутнике и в приемнике
- •4.4.2. Ошибки, обусловленные неточностью знания точки относимости
- •4.5. Геометрический фактор
- •4.6. Причины и методы искусственного занижения точности GPS-измерений
- •Раздел 5. Проектирование, организация и предварительная обработка спутниковых измерений
- •5.1. Специфика проектирования и организации спутниковых измерений
- •5.2. Предполевое планирование в камеральных условиях
- •5.2.1. Составление технического проекта
- •5.4. Вхождение в рабочий режим и контроль за ходом измерений
- •5.5. Завершение сеанса наблюдений. Хранение собранной информации. Ведение полевого журнала
- •5.6. Специфика редуцирования результатов спутниковых измерений при внецентренной установке приемников
- •Раздел 6. Обработка спутниковых измерений, редуцирование и уравнивание геодезических сетей
- •6.1. Первичная обработка спутниковых измерений, производимая в приемнике
- •6.2. Предварительная обработка спутниковых измерений, производимая после окончания измерений
- •6.3. Окончательная обработка спутниковых измерений
- •6.3.1. Окончательная обработка спутниковых измерений по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников
- •6.3.2. Окончательная обработка спутниковых измерений по специально разработанной программе
- •6.4. Уравнивание геодезических сетей, созданных на основе использования спутниковой технологии
- •6.4.1. Уравнивание по программе фирмы-изготовителя спутниковых приемников
- •6.4.2. Уравнивание по специально разработанной программе
- •6.4.3. Уравнивание спутниковых измерений как сетей трилатерации
- •Раздел 7. Использование спутниковых технологий для построения геодезических сетей
- •7.1. Построение глобальной опорной геодезической сети
- •7.2. Построение континентальных опорных геодезических сетей
- •7.3. Построение государственной геодезической сети России на основе спутниковых технологий
- •7.3.1. Фундаментальная астрономо-геодезическая сеть (ФАГС)
- •7.3.2. Высокоточная геодезическая сеть (ВГС)
- •7.3.3. Спутниковая геодезическая сеть 1 класса (СГС-1)
- •7.4.3. О необходимости координации работ по созданию государственной и городских геодезических сетей
- •7.4.4. Разработка проекта «Инструкции по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с использованием спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS»
- •Раздел 8. Специальные применения спутниковых геодезических измерений для решения различных геодезических задач
- •8.1. Решение геодинамических задач
- •8.2. Применение спутниковых технологий в прикладной геодезии
- •8.4. Выполнение аэросъемочных работ с использованием спутниковых координатных определений
- •8.5. Использование спутниковых технологий при выполнении топографических и различных специализированных съемок
- •8.6. Особенности решения навигационных задач с использованием спутниковых приемников
- •8.6.1. Персональные навигационные системы
- •8.6.2. Навигационные системы транспортных средств
- •Заключение
- •Словарь англоязычных терминов
- •Список литературы
- •Содержание
Раздел 6. Обработка спутниковых измерений, редуцирование и уравнивание геодезических сетей
В общем процессе обработки топографо-геодезической информации принято выделять следующие уровни или этапы [50]:
-первичная обработка;
-предварительная обработка;
-окончательная обработка.
Кпервичной обработке относят вычисления, выполняемые непосредственно в процессе измерений. Этот этап позволяет контролировать правильность полученных отсчетов и точность единичных измерений. В случае спутниковых измерений первичная
обработка выполняется непосредственно в полевых контроллерах, а контролем является наличие видимости неба, наличие необходимого числа спутников и допустимость геометрического фактора в процессе измерений, определение координат в навигационном режиме.
Следующим этапом является предварительная обработка, которая выполняется с целью оперативной оценки качества измерений в ходе, сети или на отдельном объекте. По результатам предварительной обработки может быть сделан вывод о пригодности полевых материалов для окончательной обработки и получения готовой продукции, либо о необходимости переделки брака. Оперативное, до выезда бригады из района работ, выполнение предварительной обработки позволяет повысить качество полевых материалов путем отсеивания недопустимых результатов измерений и сократить затраты, связанные с полевой переделкой или дополнительными измерениями (если отбракованы исходные данные или изменена конфигурация сети). Предварительная обработка выполняется, как правило, с использованием программ, входящих в комплект спутниковых приемников.
Окончательная обработка предназначена для получения готовой продукции — каталогов координат и высот и может быть выполнена после завершения полевых работ и выезда бригад с объекта. Окончательная обработка может выполняться как с использованием программ, входящих в комплект спутниковых приемников, так и с использованием специально разработанных программ.
209
6.1. Первичная обработка спутниковых измерений, производимая в приемнике
В процессе проведения спутниковых наблюдений в приемном устройстве производится не только регистрация отсчетов измеряемых величин, но и их первичная обработка. Такая необходимость возникает не только при использовании кинематического режима, когда координаты движущегося объекта должны вычисляться в реальном масштабе времени, т. е. непосредственно в приемнике, но и при статических режимах работы с целью не только формирования компактного, сглаженного массива данных, предназначенных для последующей обработки, но и для получения текущей информации, отображаемой на экране дисплея приемного устройства, на основе которой оператор может следить за процессом выполняемых измерений, а в случае необходимости и корректировать этот процесс.
Неотъемлемой частью спутниковых приемников является процессорный блок, который не только управляет по заданной программе режимом работы приемника, но и выполняет первичную обработку результатов измерений. При этом обработке подвергается как информация, передаваемая в составе навигационного сообщения, так и результаты измерений, используемые для вычисления псевдодальностей на основе кодовых сигналов и точных значений расстояний между спутником и приемником, базирующихся на фазовых измерениях несущих колебаний.
При обработке передаваемого со спутника навигационного сообщения производится его декодирование, т. е. восстановление информации о текущих эфемеридах спутника, о поправках к показаниям его часов, об ионосферных поправках, об альманахе и о других вспомогательных показателях. Эта информация используется как для формирования файла навигационного сообщения, используемого в дальнейшем при камеральной обработке (пост-обработке), так и для оперативной корректировки показаний часов приемника и для вычисления целого ряда параметров, отображаемых на экране дисплея приемника (приближенные координаты точки стояния, номера наблюдаемых спутников и их расположение на небосводе, геометрический фактор и т. д.).
В процессе обработки, производимой в приемнике, вычисляются также значения псевдодальностей на основе определения времени прохождения кодовыми сигналами расстояний между спутником и приемником. При этом основным источником ошибок, обусловливающим недопустимо большие уклонения в значениях измеряемых расстояний, является сравнительно низкая стабильность частоты опор-
210
ных кварцевых генераторов, характеризуемая относительной погрешностью на уровне МО"9.
Для минимизации отмеченного влияния используется более стабильное опорное время, передаваемое со спутника в момент начального захвата приемником излучаемых спутником радиосигналов, которое получило название системного времени (GPS или ГЛОНАСС). При этом основная проблема решения такой задачи связана с необходимостью введения в это опорное время задержки, возникающей на участке прохождения сигналом расстояния между спутником и приемником. С этой целью учитывается тот факт, что отмеченные временные задержки для используемых орбит заключены в диапазоне от 65 до 85 мс. За счет комбинирования псевдодальномерных измерений при многократном использовании спутников удается уточнить значение системного времени, относящееся к приемнику. При этом остаются только те ошибки в измерении расстояний, которые характерны для конкретно определяемого значения псевдодальности. Для системы GPS такая погрешность применительно к С/А-коду оценивается величиной около 40 м.
Вычисляемые на стадии первичной обработки значения псевдодальностей вводятся в состав файла наблюдаемых данных, используемого при проведении камеральной обработки (пост-обработки). Кроме того, на их основе с применением получаемых из навигационного сообщения эфемерид спутников вычисляются координаты точки стояния приемника на навигационном уровне точности (т. е. с погрешностью в несколько десятков метров).
При выполнении фазовых измерений одноили двухчастотными приемниками отсчеты в долях фазового цикла производятся на одной или двух несущих частотах с интервалами, исчисляемыми десятыми долями секунды. В результате при проведении сеансов наблюдений, длительность которых может достигать нескольких часов (а иногда и суток) накапливается огромный массив данных, для хранения которого требуются устройства памяти чрезвычайно большой емкости. Для преодоления таких технических трудностей непосредственно в приемнике производится уплотнение регистрируемых данных. Такой процесс часто называют также компрессией. В процессе его реализации вычисляются осредненные значения производимых выборок с интервалами, задаваемыми оператором на стадии подготовки приемника к наблюдениям. Как уже отмечалось, такой интервал чаще всего выбирается равным 10-15 с.
Наряду с уплотнением непосредственно в приемнике осуществляется фильтрация данных на основе использования фильтра Калмана. В результате такой фильтрации устраняются отсчеты с недопусти-
211
мо большими уклонениями. Кроме того, при такой процедуре удается ликвидировать отдельные пропуски циклов, обусловленные невозможностью приема в отдельные моменты времени сигналов от спутников по тем или иным причинам.
При автоматическом режиме обработки данных в приемнике должны выполняться следующие условия:
1)Уход показаний часов приемника от системного времени не должен превышать одной микросекунды. При соблюдении такого условия удается откорректировать уход показаний часов приемника на основе принимаемого от спутника более точного времени с погрешностью в несколько сотен наносекунд. Отмеченная процедура получила название «восстановления» времени.
2)Для вычисления в дальнейшем на следующей стадии обработки верных значений базисных линий расхождения в показаниях часов двух взаимодействующих приемников не должны превышать одной микросекунды. При выполнении этого условия ошибки из-за несинхронности используемых показаний часов приемников оцениваются величинами не более 2 мм, т. е. находятся на уровне влияния шумов.
3)На стадии первичной обработки должны быть выявлены и устранены пропуски полуциклов, обусловленные несовершенством работы электронных узлов приемника (в частности, отслеживающих цепочек обратной связи).
4)Получаемые непосредственно в приемнике на основе кодовых сигналов значения псевдодальностей, относящиеся к одной эпохе, но к различным несущим частотам, должны быть согласованы между собой.
5)При переходах от одной эпохи к другой закономерности изменения определяемых псевдодальностей должны носить сглаженный характер.
Обработанная в приемнике информация используется для формирования файла наблюдаемых данных, а также файла навигационного сообщения, на основе которых производится дальнейшая обработка. Наиболее наглядную структуру такие файлы имеют при отображении их в формате RINEX.
Каждый из файлов состоит из заголовка и основного массива записанных данных.
В заголовке к файлу результатов наблюдений содержится следующая основная информация:
-версия формата и показатели, идентифицирующие файл;
-дата и время начала сеанса наблюдений;
-условное название пункта;
-информация о наблюдателе и его организации;
-тип приемника и антенны;
212