СОДЕРЖАНИЕ 

1. Введение…………………………………………………………………….…3
2. Общие сведения
1. Глобальная система позиционирования (GPS)……………………….…….4
2. Глобальная навигационная система(GLONASS)………………………..….6

2.3 Классификация  способов позиционирования…………………...……….....8

2.4 Разности фазовых измерений и обработка данных……………………..…10

2.5 Программный  пакет Pinnacle…………………………………………….….12

3.   Практическая  часть

3.1 Порядок выполнения  работы………………………………………………..14

3.2 Анализ полученных  результатов……………………………………………17

4. Заключение………………………………………………………………….…19

3. Список используемой литературы………………………………..…………20

Приложения

1. Приложение 1. Неоднозначности……………………………………………21
2. Приложение 2. Результаты уравнивания сетей…………………………..…22
3. Приложение 3. Координаты точек сети…………………………….…….…23
4. Приложение 4. Длины базовых линий…………………………………..…..24
5. Приложение 5. Среднеквадратические ошибки приращений координат…25
6. Приложение 6. Невязки полигонов…………………………………….….…26

1. ВВЕДЕНИЕ 

     Одним из важнейших направлений  совершенствования и развития  спутниковой радионавигации является совместное использование сигналов ГЛОНАСС и GPS. Основные цели этого процесса - повышение точности и надежности (доступности, непрерывности обслуживания и целостности) навигационных определений.

   Наиболее  важными предпосылками, облегчающими совместное использование и интегрирование, служат:

• общность принципов баллистического построения обеих систем (высота орбиты около 20000 км, наклонение орбит порядка 60°, период обращения КА=12 ч и др.);
• общность используемого частотного диапазона, а также общность сигнально-кодовых конструкций, использующих фазовую манипуляцию и псевдослучайные последовательности;
• общность принципов синхронизации и измерения навигационных параметров;
• близость используемых систем координат [7].

     В данной работе представлены результаты исследования влияния дополнительного использования GLONASS на точность измерения длин базовых линий и получения координат пунктов при обработке геодезических сетей. Главной целью работы является ответ на вопрос «имеет ли смысл использовать GLONASS совместно с GPS?». Для решения поставленной задачи были использованы данные наблюдений на геодезической сети и программный пакет Pinnacle для обработки измерений.

2. ОБЩИЕ СВЕДЕНИЯ

    Глобальные системы спутникового  позиционирования предназначены для определения трехмерных координат и скорости различных объектов в любой точке на поверхности Земли, в воздушном околоземном и космическом пространстве. Помимо сведений о местоположении объекта, эти системы обеспечивают пользователя сигналами единой для данной системы высокостабильной шкалы времени (так называемое системное время), привязанной к международным временным шкалам. В настоящее время существует две глобальные системы спутникового позиционирования – GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) [3].  

2.2 ГЛОБАЛЬНАЯ СИСТЕМА ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ (GPS)

  Разработки  концепции начаты в 1973г. запуск спутников  первого блока начат в 1978г. В 1983г. заговорили о гражданском применении. Эксплуатационная готовность объявлена  в начале 1995г [2].

  Орбитальная группировка GPS состоит из 32 навигационных космических аппаратов. Все они находятся на круговых орбитах с периодом обращения вокруг Земли, равным 12 часам. Высота орбиты каждого спутника равна ~ 20000 км [7].

    На каждом спутнике имеется  опорный (эталонный) генератор электромагнитных волн основной или фундаментальной частоты f₀ =10.23 МГц, из колебаний которого формируются сигналы, передаваемые спутником. Эти сигналы, обозначаемые как L1 и L2, излучаются на частотах:

f_L1 =154  f₀ =1575.42 МГц, соответствующая длина волны l_L1 ≈19 см;

f_L2 =120 f₀ =1227.60 МГц, соответствующая длина волны l_L2 ≈24 см.

  Они являются несущими сигналами (частотами) так как служат для переноса к  приемной аппаратуре потребителя дальномерных кодов и навигационных сообщений. Для измерения псевдодальностей в несущую волну встраивают специальные  псевдошумовые последовательности или коды (так называемые PRN-последовательности). Они представляют собой последовательности, состоящие из нулей и единиц, очень похожие на случайные. Изменение определенных характеристик несущей волны по закону PRN-последовательности достигается при помощи одной из разновидностей фазовой модуляции несущего сигнала - фазовой манипуляции. Суть ее заключается в изменении на 180° фазы несущего колебания в момент смены 0 на 1 или 1 на 0 в дальномерном коде.

  В системе GPS существует два вида дальномерных кодов: C/A-code (Coarse Acquisition или Clear Access) – грубый или легко доступный код и P-code (Protected или Precision) – защищенный или точный код. Первый предназначен для открытого доступа всех заинтересованных пользователей, а второй может быть использован только военными. В настоящее время существуют гражданские приемники, использующие для позиционирования и P-code. Для исключения такой возможности в системе GPS может быть включен режим дополнительного шифрования  P-кода AS (Anti Spoofing) при помощи специального Y-кода. Кроме того, для дополнительного загрубления результатов позиционирования при помощи C/A-кода может быть использован режим селективного доступа SA (Selective Availability), который, впрочем, был официально отменен в мае 2000 года указом президента США. Несущий сигнал L1 модулирован C/A и P-кодами, а сигнал L2 только P-кодом. Частоты модулированных C/A и P-кодами сигналов равны 1.023 МГц и          10.23 МГц соответственно. Все спутники GPS излучают сигналы на одних и тех же несущих частотах, но каждый спутник имеет индивидуальный  C/A и P-код[3].

  В рамках десятилетней программы модернизации GPS планируется запуск нового спутника, транслирующего сигнал на частоте L5. Появление этого сигнала расширит возможности гражданского позиционирования. Новый сигнал будет передаваться на частоте 1176,45 МГц. Частота L5 будет широкополосной, с уменьшенной радиочастотной интерференцией и сниженными ионосферными задержками. Полностью обновление системы (транслирование сигнала L5 всеми спутниками созвездия) планируется к 2014г.[8] 
 
 

2.2 ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ  СИСТЕМА (GLONASS)

  Развитие GLONASS началось в 1976 году, с целью глобального  охвата навигационными спутниками Земли  к 1991 году. Начиная с 12 октября 1982 года, начались многочисленные запуски ракет, добавляющих спутники к системе. В 1995 году все спутники были выведены на орбиту. Первоначально GLONASS был развит для использования советскими вооруженными силами в планировании системы баллистических ракет и их наведения. С крахом экономики и развалом СССР для системы GLONASS наступил период ухудшения, главным образом, из-за относительно короткой «жизни» спутников GLONASS. Начиная с 2001 года, Россия стала работать над восстановлением системы. Планируется, что уровень работы GLONASS будет соответствовать американской Глобальной Системе Навигации к 2011 году[5]. На данном этапе развития система GLONASS  имеет 20 постоянно действующих спутников.     

  В системе GLONASS в качестве радионавигационной опорной станции используются навигационные  космические аппараты (НКА), вращающиеся  по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут[7].

  Формирование  несущих сигналов, дальномерных кодов  и навигационного сообщения проводится, в общем, аналогично системе GPS, но с некоторыми существенными отличиями. Частота, вырабатываемая опорным генератором каждого спутника равна   f₀ = 5.11 МГц. Другим важным отличием GLONASS -а от системы GPS является иной принцип формирования фазоманипулированного спутникового радиосигнала. Вместо двух, фиксированных для всех спутников системы, частот L1, L2 каждый спутник GLONASS излучает свой (индивидуальный) набор частот L1, L2, определяемый выражениями: 

f_L1 = f₀₁ + kD f₁,        f_L2 = f₀₂ + kD f₂ ,

f₀₁ = 1602 МГц,                f₀₂ = 1246 МГц,

D f₁ = 0.5625 МГц,               D f₁ = 0.4375 МГц, 

где  k=1, 2, … , 24 – номер частотного канала (литер), соответствующий определенному спутнику. Спутники, находящиеся в противоположных полушариях имеют одинаковые номера. Для того, чтобы не мешать радиоастрономическим наблюдениям ряд литер запрещен для использования. Несущие частоты каждого спутника находятся в соотношении f_L1 / f_L2 =9/7 и имеют длины волн l₀₁ =18.7 см и l₀₂ =24.1 см соответственно. По аналогии с системой GPS сигналы GLONASS модулированы PRN-последовательностями, образующими СТ- (стандартной точности, гражданский) и ВТ- (высокой точности, военный) сигналы. Несущие частоты всех спутников ГЛОНАСС модулированы одинаковыми кодовыми последовательностями. Полоса частот L1 модулирована СТ- и ВТ-сигналами, а полоса L2 только ВТ-сигналом. В отличие от GPS, в ГЛОНАСС отсутствует режим искусственного загрубления СТ-сигнала[3]. 
 

2.3 КЛАССИФИКАЦИЯ  СПОСОБОВ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ 

  Условно все способы позиционирования при  помощи глобальных спутниковых систем GPS и ГЛОНАСС можно разделить на[3]: 

  Дифференциальное  позиционирование – способ определения  координат спутникового приемника  путем их уточнения по данным, получаемым с другого приемника, установленного на станции с известными координатами.

  Под относительными следует понимать те способы, когда по измерениям можно вычислить лишь приращения координат – пространственные базовые векторы, соединяющие пункты наблюдений; под абсолютными – те, в которых по измеренным величинам можно вычислить полные значения геоцентрических координат[2].

  Точность  абсолютного позиционирования может  быть повышена на один – два порядка  за счет использования фазовых псевдодальностей и увеличения сеанса наблюдений на определяемом пункте. В этом случае используется так называемый режим постобработки, т.е. совместная обработка достаточно большого объема информации при помощи персонального компьютера и специальных пакетов программ.

  Статическое позиционирование позволяет передавать координаты от пункта с известными координатами к определяемым точкам путем вычисления базовой линии или базового вектора, состоящего из разностей координат между этими пунктами. В данном способе основные псевдодальномерные измерения выполняются фазовым методом, что позволяет путем формирования их разностей исключить влияние несинхронности хода часов спутника и приемника, значительно ослабить влияние других источников искажений, а так же в большинстве случаев успешно выполнить процедуру разрешения неоднозначности фазовых измерений. Статика требует одновременного выполнения измерений по одному и тому же созвездию спутников в двух пунктах – базовой станции и определяемой точке. Накопление информации производится в течение 8-120 минут и более в зависимости от количества наблюдаемых спутников и длины базовой линии. Такое время наблюдений позволяет получать приращения координат  с максимальной точностью.  Измеряемые линии между пунктами могут образовывать построение в виде хода  (подобно  теодолитному или полигонометрическому ходу) или сети.  Это позволит в процессе постобработки произвести уравнивание измерений. Точность вычисления компонент базовой линии (приращений координат между базовой и определяемой точкой) зависит от многих факторов – состояния внешней среды, наличия препятствий для прохождения спутникового сигнала, количества наблюдаемых спутников, длительности сеанса измерений на пункте и т.д.[3].

  Меньшую продолжительность наблюдений имеет  способ ускоренной статики, где имеет  место активный поиск чисел неоднозначности. Главная цель – как можно быстрее  разрешить неоднозначность. Время этих измерений согласованно с количеством наблюдаемых спутников. Так, при 5 спутниках наблюдения длятся до 20, а при 6 – до 10минут.

Еще менее  трудоемки наблюдения в разновидности  статики – в методе реокупации. Подвижный приемник на станции принимает сигналы примерно в течение 10 мин. Затем его переносят на другие пункты. По истечении часа приемник возвращают на прежние пункты и продолжают сбор данных. Таким образом, непрерывность измерений на базовой станции сохраняется, а на подвижной станции они зафиксированы только в начале и в конце часового интервала.

  Для съемочных и других работ, требующих  значительных передвижений на местности  и сравнительно кратковременных  наблюдений на точке, предложен ряд  разновидностей способов кинематического позиционирования.

  Способ  непрерывной кинематики позволяет  «цифровать» контуры на местности: не останавливаясь, перемещаются с  приемником по контуру, который через  заданные интервалы времени фиксируют  координаты.

  Способ  «стой - иди» предусматривает возможность остановится на точке, выполнить более длительные измерения, а затем продолжить движение.

  Способ  кинематики реального времени (RTK) применяется тогда, когда имеется телеметрический канал и данные или соответствующие поправки с базового приемника передаются на подвижный[2].

2.4 РАЗНОСТИ ФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ И ОБРАБОТКА ДАННЫХ

  Для вычисления расстояний определяемая точка - спутник в системах GPS и GLONASS измеряется время распространения дальномерного сигнала от спутника до приемной аппаратуры пользователя, установленной на определяемом пункте. Такой способ измерения расстояний получил название одностороннего метода дальномерных измерений. В нем используется однократное прохождение сигналом измеряемого расстояния. Не смотря на принципиальную простоту одностороннего метода дальномерных измерений, на практике всегда измеряются не истинные (геометрические), а искаженные, в силу воздействия разного рода факторов, дистанции. Они получили название – псевдодальностей.

  Существует  два основных способа определения псевдодальностей – кодовый и фазовый[3].

Предположим, имеются идеальные условия –  спутник относительно приемника  неподвижен, электромагнитные колебания  генераторов АП и КА¹ строго синхронны, их частоты и начальные фазы одинаковы. Тогда в АП фаза φ_ка пришедших волн будет отставать от фазы φ_ап местных колебаний на величину, пропорциональную времени τ пробега волной расстояния R от спутника до наземной станции, где τ = R/c. Разность фаз будет

Δφ = φ_ап – φ_ка = 2πfR/c =2πR/λ.

  В формуле с, f и λ соответственно скорость электромагнитных колебаний в вакууме, частота и длина несущей волны. Выражая из предыдущей формулы R получаем:

R = Δφ λ/2π = (N + Ф) λ,

где Ф  доля, а N целое число волн λ в  расстоянии R. Важной особенностью является то, что измеряется только величина Ф. Число N непосредственно измерить нельзя. Если длина волны 19 см, то фиксируется расстояние только в пределах этих 19см. Учитывая высоту полета спутников, нетрудно подсчитать, что число N > 100 000 000. Но сколько точно – неизвестно.

    Решение находят путем формирования  так называемых разностей фазовых  и/или кодовых измерений в следующем  порядке: 1) разность между приемниками; 2) разность между спутниками; 3) разность  между различными моментами времени.

  В первых разностях исключаются ошибки часов спутника. Измерения, базирующиеся на первой разности (т.е. между приемниками), представляют собой разность текущих фаз принимаемого сигнала, измеряемых одновременно двумя приемниками при наблюдении одного и того же спутника.

P_(A-B)1=(R_A1-R_B1)-(N_A1-N_B1)λ+(D_AПA-D_АПВ)+e_(А-В)1, где

Р –  определяемая дальность, D – искажения дальности в пункте наблюдений, е – влияние остальных источников погрешностей; индекс А1 указывает на измерения со станции А до спутника КА1, а индекс В1 – на измерения со станции В до КА1.

  Во  вторых разностях исключаются ошибки часов приемника. Измерения, базирующиеся на второй разности (т.е. между приемниками  и между спутниками), представляют собой разность между первой разностью, полученной для одного спутника, и  соответствующей первой разностью, полученной для выбранного опорного спутника. 

P_(A-B)1=[(R_A1-R_B1)- (R_A2-R_B2)]- N_AB12 λ+ e_(А-В)12 , где 

N_AВ12=[( N_A1-N_B1)- (N_A2-N_B2)].

  Третьи  разности позволяют исключить пропуск  циклов. Измерения, базирующиеся на третьей  разности (т.е. между приемниками и между различными моментами времени), представляют собой разность между второй разностью, относящейся к другому моменту времени.  

P(t₂-t₁)₁₂=[(R_A1-R_B1)- (R_A2-R_B2)]_t2-[(R_A1-R_B1)- (R_A2-R_B2)]_t1+e_t12 , где

t_i – эпоха измерений.

  Обработка фазовых измерений выполняется в три этапа:

• Решение по третьим разностям дает первую оценку компонентов базовой линии и позволяет зафиксировать срывы циклов; приращения координат, полученные на этом этапе, используются в дальнейших вычислениях;
• Плавающее решение (float) позволяет обрабатывать коррелированные вторые разности фаз. Срывы циклов, которые не были разрешены по третьим разностям, разрешаются по дополнительным дугам орбит спутников; это решение дает компоненты базовых линий и плавающие неоднозначности;
• Фиксированное решение (fixed) по вторым разностям позволяет с помощью алгоритма временной оптимизации разрешить оптимальную фазовую неоднозначность из плавающего решения по методу наименьших квадратов. Для проверки правильности разрешения неоднозначности используются статистические тесты χ – квадрат и Фишера с доверительной вероятностью 95 и 99% соответственно.

  В качестве критерия достоверности разрешения неоднозначности используют величину  

                                                 ≥ 1,5,                                                                                                                                         

где RMS – оценка величины среднеквадратической погрешности вторых разностей при  значениях неоднозначностей, рассматриваемых в качестве точно разрешенных до целого числа циклов; RMS (min/max) – наименьшее из значений  RMS, получаемых при изменении каждого из значений неоднозначности на  ±1 цикл.

  Если  Ratio<1.5, то фазовые неоднозначности считаются неразрешенными[1].  
 

2.5 ПРОГРАМНЫЙ ПАКЕТ PINNACLE 

  Программное обеспечение, которое используется в современном геодезическом  производстве, решает задачи математической обработки результатов измерений, например, при построении геодезических  сетей и решении других задач  геодезического производства. Может поставляться и использоваться совместно с геодезическим оборудованием той иной фирмы или отдельно. Решает задачи подготовки и выпуска отчетной текстовой, табличной и графической документации по геодезическим проектам[9].

  Пакет программ обработки результатов наблюдений спутниковой системой, как правило, состоит из трех модулей: обработки базовых линий, уравнивания сетей и вспомогательного модуля планирования наблюдений, результаты которого можно выводить на принтер[1].

  Программа Pinnacle представляет собой объектно-ориентированный программный продукт, структурно основанный на следующих объектах:

• Сессия (Session), создаваемый в панели Raw Data Session;

• Решение (Solution), создаваемый в панели Solution;

• Подсеть (Subnet), создаваемый в панели Subnets;

• Сеть (Network), создаваемый в панели Networks[4].

    Пакет позволяет производить  обработку одно- и двухчастотных  кодовых и фазовых измерений,  произведенных в совмещенном  режиме Glonass/GPS или по отдельности.

В том  числе выполняются:

• Импорт “сырых” данных из приемников, локальных и сетевых дисков, интернет –источников – в пользовательский проект.
• Анализ и предобработка “сырых” данных с использованием наглядных графических средств и оценок и указанием на периоде наблюдения большого количества оценочных параметров.

• количества наблюдаемых спутников,
• углов их возвышения,
• характеристик геометрии рабочего созвездия (PDOP),
• отношений сигнал/шум,
• погрешности измерения псевдодальности,
• фазы несущей и доплеровских измерений по каждому спутнику
• изменение навигационных координат.
• Существует возможность получения по различным измерениям алгебраических комбинаций для оценки помеховой ситуации в точке накопления спутниковой информации.

• Камеральная обработка данных static, kinematic, stop&go измерений в форматах ТРС, Ashtech, Rinex,

• Учет в графическом или текстовом виде внешней эфемеридной информации спутников Glonass/GPS.
• Импорт в проекты О -, С – и SNAP-файлов (station.dat, vector.dat).
• Выдача в процессе вычислений информации

• о типе решения,
• количестве вовлеченных спутников,
• количестве эпох для каждого спутника,
• количестве срывов слежения по каждому спутнику,
• неоднозначностях и качестве их разрешения,
• вторых разностях по коду и фазе несущей с оценкой погрешности,
• длине вектора с оценкой погрешности,
• количестве вычисленных точек,
• времени обработки.

• Анализ структуры сети.

• Уравнивание свободных и несвободных сетей и оценки точности.
• Применять большое количество текстовых и графических форматов.
• Получать данные обработки сетей в форматах: Blue book, SNAP, GEOLAB, AutoCAD, Corpscon, comma delimited ASCII format.
• Вычислять координаты центров проекций снимков[9].

3. ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ 

  Целью данного исследования являлось сравнение  величин характеризующих точность вычислений при обработке геодезических сетей с использованием GPS и GPS-GLONASS данных.   

3.1 ПОРЯДОК ПРОВЕДЕНИЯ  РАБОТЫ 

  В программный модуль Pinnacle  были импортированы данные, содержащие информацию о GPS/GLONASS наблюдениях выполненных приемниками Leica GX 1220, Leica GX 1220 66, Tps E_GGD в статическом режиме геодезической сети состоящей из 12 пунктов.

Рис. 1. Общий  вид сети. 

  На  первом этапе было создано два  новых проекта: gps и gps-glonass с одинаковыми параметрами, т.е. одни и те же данные импортировались дважды. В каждом из проектов в окне Raw Data Session  была создана сессия, содержащая 107 оккупаций. Далее данные из этого окна были перемешены в окно Solution, тем самым было создано новое решение в обоих проектах. Для каждого из решений, используя модуль Process², произвели вычисление компонент векторов, предварительно были заданы необходимые опции, т.е. указано какие данные необходимо использовать при обработке. Некоторые данные, полученные в результате обработки, а именно общее количество неоднозначностей и количество фиксированных неоднозначностей, представлены в Приложении 1.