Методы ГНСС-наблюдений

Ниже ты узнаешь, как приемник определяет свое местоположение по спутникам и от чего зависит точность этого определения.

Начнем с того, что в спутниковой радионавигации для определения местоположения объекта на Земле самую важную роль играет точность определения расстояния между спутником и приемником в заданный момент времени. Учитывая, что спутники постоянно перемещаются по орбите высотой около 20000 км над поверхностью Земли, крайне сложно зафиксировать это расстояние с высокой точностью.

Чтобы его вычислить достаточно знать скорость и время прохождения радиосигнала, который излучает спутник. Скорость распространения сигнала будем считать равной скорости света. А вот зафиксировать точное время излучения и время его приема проблематично из-за высокой скорости распространения. Для решения этой задачи было решено синхронизировать спутники и приемники так, чтобы в каждый момент времени на них генерировался одинаковый по содержанию сигнал.

Внутри радиосигнала содержится информация о координатах спутников, а также поправка в часы. В совокупности все это называется Навигационным сообщением (НС).

В зависимости от типа этого радиосигнала используют 2 способа определения дальности: по измерениям кода или фазы несущей, которые отличаются по своей природе и по точности вычисленного решения.

Что представляет из себя код? Это последовательность нулей и единиц, подобранная таким образом, чтобы набор цифр выглядел совершенно случайным. Естественно он вовсе не случайный, а тщательно продуманный, поэтому называется псевдослучайной последовательностью.

В навигационных системах GPS и ГЛОНАСС реализуется свое системное время, по которому и происходит синхронизация спутника и приемника. Итак, в момент времени t0 спутником излучается кодовый сигнал. В этот же момент времени приемник генерирует точно такой же код, и принимает радиосигнал от спутника в момент t1. Совмещая эти последовательности приемник рассчитывает время выхода сигнала и время его прохождения от спутника до приемника dt. Таким образом по времени и скорости вычисляется псевдодальность.

Если бы стандарты времени на спутнике и приемнике совпадали, а все возможные ошибки были учтены, то получилась бы просто дальность. Но часы приемника менее точные, поэтому в расчет расстояния входит как минимум ошибка хода часов (синхронизации времени), отсюда и появляется приставка «псевдо».

Точность совмещения псевдослучайных последовательностей приемника и спутника равна длине символа, а это 3 м для гражданского C/A - кода и 0,3 м для защищенного P-кода, поэтому рассчитать псевдодальность точнее этих величин не получится.

Гораздо более высокой точности можно добиться, измеряя фазу радиосигнала со спутника (т.н. «фаза несущей»). Длина волны на частоте L1 = 19 см, а фаза этой волны колеблется в пределах 360°, получается, что математически возможно вычислить псевдодальность с субмиллиметровой точностью. По аналогии с кодовым сигналом на спутнике и приемнике генерируются фазомодулированные сигналы, только они никак не синхронизированы. Вычислением смещения фазомодулированного сигнала, переданного со спутника на приемник, определяется дробная часть фазы.

Основная проблема – найти целое число длин волн, так как волны не отличаются друг от друга. Задача по поиску числа целых фаз называется решением фазовой неоднозначности, и решается через системы уравнений. Приблизительное решение позволяет перейти в плавающий режим, а однозначное решение – в фиксированный. Именно при фиксированном решении рекомендуется производить измерения.

А теперь рассмотрим, как знание псевдодальности поможет отыскать координаты приемника. Различают 2 метода наблюдений: абсолютный и относительный.

Абсолютный метод характеризуется самостоятельным определением положения приемника по пространственной засечке. Чтобы ее реализовать необходимо знать величину псевдодальности и координаты как минимум 4х спутников. Псевдодальность вычисляется по коду либо по фазе, а координаты спутников передаются в навигационном сообщении от каждого из них. Таким образом рассчитываются неизвестные координаты X, Y, Z и поправка часов dt приемника.

Абсолютный метод основан на измерениях по коду, поэтому точность зависит от качества кварцевого генератора времени приемника и составляет 3-15 м. Применяется этот метод в низкоточной навигации (мониторинге транспорта, судов и пр.).

Для уточнения данных можно использовать различные дифференциальные сервисы, работающие по технологии PPP (Precise Point Positioning). Такие сервисы (RTX, Atlas, TerraStar) передают предрассчитанную корректирующую информацию (точные эфемериды и уходы часов), чтобы приемник смог вычислить свое местоположение с субдециметровой точностью. Здесь в качестве канала доставки корректирующей информации могут использоваться геостационарные спутники или сеть Интернет. Однако существует ряд ограничений: приемник обязательно многочастотный, наблюдения должны проводиться не менее часа, а подписка на эти сервисы платная.

В относительном методе задействовано минимум 2 приемника, один из которых находится на пункте с известными координатами (База), а второй на определяемом (Ровер). В данном случае по разнице координат, определенных Базовым приемником по спутникам и введенных вручную известных координат этого пункта, рассчитывается поправка в псевдодальность. Эта поправка передается на Ровер (на определяемом пункте) и корректирует его измеренные псевдодальности для уточнения определения местоположения.

Относительный метод, реализуемый по кодовым измерениям, называют также дифференциальным или DGPS. Точность такого метода субметровая (50-80 см), однако поправка в псевдодальность может быть передана на расстоянии 200-300 км. Поэтому метод DGPS активно используется в морской навигации, сельском хозяйстве и ж/д мониторинге.

Использование относительного метода по измерениям фазы несущей позволяет достигать сантиметровой точности. Только этот метод подходит для решения геодезических задач. По характеру движения это могут быть и статика, и кинематика. Статика реализуется в измерении конкретной точки, когда на пункте в течение нескольких эпох собираются и усредняются данные со спутников. Кинематика же – создание траектории движения приемника. Причем в соответствии с фильтрами, определяющими неподвижен приемник или перемещается, обработка этих данных происходит по различным алгоритмам. В общем случае, увеличение точности связано с длительностью измерений, а также с условиями съемки.

Отдельно хотелось бы сказать, что способ обработки данных находится вне классификации, так как к любому методу наблюдений применимы и постобработка, и определение координат в реальном времени. Однако для постобработки понадобятся компьютер и специализированная программа для обработки измерений. В реальном времени обработка происходит сразу в управляющем микропрограммном обеспечении ГНСС-приемника с использованием корректирующей информации.

Таким образом, в зависимости от задачи, ожидаемой точности и возможностей оборудования подбирается метод наблюдения. Естественно, каждая отдельная задача требует определенного подхода, учета всех нюансов наблюдения, а также подготовки. В этой же статье мы хотели обобщить информацию и преподнести ее простым языком. Надеемся, после ее прочтения Вы узнали больше.