Использование Спутниковых радионавигационных систем в гидрографии Курс лекций

Использование Спутниковых радионавигационных систем в гидрографии Курс лекций для курсантов Арктического факультета Государственная морская академия имени адмирала С. О. Макарова Доцент Фирсов Ю. Г 2005 -2006 учебный год СРНС в гидрографии. Часть 1. 1

Использование спутниковых радионавигационных систем в современной гидрографии Состав курса лекций: - Теоретические вопросы СРНС; - Дифференциальные подсистемы СРНС; - Спутниковая навигационная аппаратура; - Специальные применения СРНС (пространственное ориентирование и режим КРВ) СРНС в гидрографии. Часть 1. 2

Применение СРНС Навстар Ø Морская навигация и гидрография; Ø Воздушная навигация Ø Наземная навигация и диспетчерские системы (авто и жд транспорт); Ø Высшая и инженерная геодезия Ø Геология и геофизика; Ø Сельское и лесное хозяйство; Ø Экология и чрезвычайные ситуации. СРНС в гидрографии. Часть 1. 3

История развития спутниковых радионавигационных систем СРНС Ø СРНС первого поколения на низко летящих навигационных спутниках: - «Транзит» (США) с 1964 по 2000 г. г. - «Цикада» и «Парус» (СССР) с 1979 г. Ø СРНС второго поколения на среднеорбитальных спутниках: Ø - «НАВСТАР» -Global Positioning System (США) Ø - «ГЛОНАСС» (Россия) СРНС в гидрографии. Часть 1. 4

СРНС второго поколения Сеть НИСЗ второго поколения представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно определенный объем служебной информации. СРНС функционирует в собственном системном времени. Все процессы в ее звеньях фиксируются в этой временной шкале. Временные шкалы всех НИСЗ сети периодически подстраиваются под шкалу системного времени. Это составляет основу для реализации пассивного (беззапросного) способа измерения дальностей одновременно до нескольких спутников. СРНС в гидрографии. Часть 1. 5

Подсистемы спутниковых систем второго поколения - подсистема контроля и управления; созвездия навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ); - спутниковая навигационная аппаратура (СНА) - СРНС в гидрографии. Часть 1. 6

Подсистема контроля и управления; СРНС в гидрографии. Часть 1. 7

Cозвездия навигационных искусственных 24 НИСЗ; Ø 6 орбит по 4 НИСЗ; Ø Наклон орбиты к плоскости экватора 55º Ø высота орбиты 20200 км Ø СРНС в гидрографии. Часть 1. 8

Навигационный искусственный спутник СРНС «НАВСТАР» Подсистема НИСЗ состоит из 24 спутников. Cпутник имеет четыре дорогостоящих атомных эталона частоты и времени, аппаратуру для приема и передачи радиосигналов, бортовую компьютерную аппаратуру. Размеры спутников с учетом панелей солнечных батарей более 5 м. Вес спутника ~ 860 кг. Расчетное время существования НИСЗ на орбите 7 -8 лет. СРНС в гидрографии. Часть 1. 9

спутниковая навигационная аппаратура СРНС в гидрографии. Часть 1. 10

Геометрическая сущность определения по СРНС в гидрографии. Часть 1. 11

Физические параметры Земли Параметр Значение f. Мз 398600, 44 109 w 3 729 2115 10 -11 рад/с с м 3/с2 299 792 458 м/с СРНС в гидрографии. Часть 1. 12

Геодезические системы отсчета СРНС в гидрографии. Часть 1. 13

Параметры эллипсоидов Система координат СК-42 Полуось Сжатие эллипсоида а, м a 6 378 245 1/298, 3 ПЗ-90 6378136 WGS-84 6378137 1/298, 257 839 303 1/298, 257223563 GRS -80 6378137 1/298, 257222101 СРНС в гидрографии. Часть 1. 14

Элементы кеплеровой орбиты А - большая полуось эллиптической орбиты; ек - эксцентриситет орбиты; Ω - долгота восходящего узла орбиты (отсчитывается в плоскости экватора от направления на точку весеннего равноденствия); ω - аргумент перицентра (угол в плоскости орбиты с вершиной в центре масс Земли и между направлениями на перигей и восходящий узел); i - наклон плоскости орбиты к плоскости экватора. СРНС в гидрографии. Часть 1. 15

Алгоритм расчета координат НИСЗ Для эллиптической орбиты алгоритм вычислений координат НИСЗ на эпоху t следующий. 1. Вычисление средней аномалии М по формулам М = ω C * ( t- tп), ωC = 2 π / T, З/2 Т=2πА где ½ / ( f*Мз) , ωC - угловая скорость обращения спутника на орбите, Т - период обращения, t п - время прохождения через перигей. 2. Вычисление итерациями эксцентрической аномалии Е Е - е *sin(Е) = М. K 3. Определение радиуса-вектора R R = А* (1 – е. K *cоs(Е)). СРНС в гидрографии. Часть 1. 16

Алгоритм расчета координат НИСЗ (продолжение) 4. Вычисление истинной аномалии v (угла в плоскости орбиты между радиусом-вектором и направлением на перигей), аргумента широты u и долготы восходящего узла относительно гринвичского меридиана. I по формулам tg(v2) =((1+ е. K )/(1 - е. K ))½ tg(E/2), u = v + ω, I = Ω - ω3 t. 5. Определение прямоугольных геоцентрических координат спутника X Y Z =R* cos(u) cos(l) – sin(u) cos( i ) sin(l) cos(u) sin(l) + sin(u) cos( i) cos(l) sin(u) sin(i) СРНС в гидрографии. Часть 1. 17

Связь прямоугольных геоцентрических и геодезических координат X = (N+H) cos(В) cos(L) Y = (N+H) cos(B) sin(L) Z = (N+H - e² N) sin(B) СРНС в гидрографии. Часть 1. 18

Проекция UTM счет 6º зон от меридиана 180º на восток; Ø Увелич. масштаба по осевому меридиану: 0. 9996 Ø Ось Y направлена на север; ось X - на восток Ø СРНС в гидрографии. Часть 1. 19

Проекция Гаусса-Крюгера счет 6º зон от меридиана 0º на восток; - увеличение масштаба по осевому меридиану: 1 - ось X направлена на север; ось Y - на восток - СРНС в гидрографии. Часть 1. 20

Преобразования координат с одного эллипсоида на другой Ø Преобразование координат по трем линейным параметрам (дифференциальные формулы Молоденского); Ø Преобразование координат по семи параметрам СРНС в гидрографии. Часть 1. 21

Преобразования координат с одного эллипсоида на другой X Y = (1 + m) Z б 1 + ωz – ωy – ωz 1 + ωx + ωy – ωx 1 X Δx Y + Δy , Z a Δz где Δx, Δy, Δz - линейные элементы трансформирования, м; ωx, ωy, ωz - угловые элементы трансформирования, рад; m – дифференциальное различие масштабов; а, б – системы координат Обратное преобразование прямоугольных координат выполняют по формуле: X Y = (1 – m) Z а 1 – ωz + ωy + ωz 1 – ωx – ωy + ωx 1 СРНС в гидрографии. Часть 1. X Δx Y – Δy. Z б Δz 22

Преобразования координат с одного эллипсоида на другой по формулам Молоденского Учитываются только линейные параметры Δx, Δy, Δz Параметры перехода приведены в издании SP-60 (1999) СРНС в гидрографии. Часть 1. 23

Преобразования координат с одного эллипсоида на другой по семи параметрам ΔB = ρ/(M+H) { N e² sin. B cos. B Δa / a + ( (N ²/a²)+1) N sin. B cos. B Δe² / 2 (Δx cos. L + Δy sin. L) sin. B + Δz sin. B } - ωx sin. L (1+ e² cos 2 B ) + ωy cos. L( 1+ e² cos 2 B ) - ρ m e² sin. B cos. B; ΔL = (ρ/(N+H) cos. B) (-Δx sin. L + Δy cos. L) + tg B (1 - e²) (ωx cos. L + ω sin. L y ) - ωz ; СРНС в гидрографии. Часть 1. 24

Преобразования координат с одного эллипсоида на другой (продолжение) ΔН = – a Δa / N + N sin²B Δe²/ 2 + (Δx cos. L + Δy sin. L) cos. B + Δz sin. B - N e² sin. B cos. B (ωx sin. L / ρ – ωy cos. L / ρ ) + (a ² / N + H ) m , где: N - радиус кривизны первого вертикала (N = a / (1 - e² sin²B)½ M – радиус кривизны меридианного сечения M = a /(1 e² )(1 - e² sin²B)3/ 2 ρ - число угловых секунд в 1 рад. ρ˝ =206 264. 806 2˝ СРНС в гидрографии. Часть 1. 25

Параметры преобразования СК 42 - WGS 84 Источник Δx (м) Δy (м) Δz (м) ωx ωy (“) ωz (“) m SP-60 (1999) 28 -130 -95 0 0 Справочное 25 пособие КНИЦ МО РФ (ГУ Ни. О) -141 -79 0 -0. 35 -0. 66 0 Гидрографическое 23 Предприятие МТ Импортные 25 пакеты Pathfinder HYPACK и. т. д -133 -74. 5 -0. 29 -0. 49 -0. 79 0. 23 -141 -78. 5 0 0 0. 736 СРНС в гидрографии. Часть 1. (“) -0. 35 26

Параметры преобразования СК 42 – ПЗ 90 ГОСТ P 51794 -2001 СИСТЕМА КООРДИНАТ. Методы преобразования координат определяемых точек. ∆x= +25± 2 м; ∆y = -141 ± 2 м. ; ∆z= -80 ± 3 м. ωx = 0. 00”± 0. 1”; ωy = 0. 35”± 0. 1”; ωz = 0. 66”± 0. 1” m = (0. 00± 0. 25) ppm [ ppm = 10 E-6] СРНС в гидрографии. Часть 1. 27

Параметры преобразования СК 95 – WGS 84 ∆x= + 24. 82 ± 0. 2 м. ; ∆y = -131. 21 ± 0. 2 м. ; ∆z= - 82. 66 ± 0. 3 м. ωx = 0. 00”; ωy = 0. 00”; ωz = - 0. 16”± 0. 01” m = (0. 0012± 0. 0006) ppm [ ppm = 10 E-6] СРНС в гидрографии. Часть 1. 28

Параметры преобразования СК 95 – ПЗ 90 ∆x= + 25. 90 м. ; ∆y = -130. 94 м. ; ∆z= - 81. 76 м. СРНС в гидрографии. Часть 1. 29

Ортометрические высоты Геодезическая высота (Н) является суммой ортометрической высоты (Нº) и высоты геоида над эллипсоидом ( ς ): Н = Нº + ς Величину ς часто именуют «геоидной поправкой» . СРНС в гидрографии. Часть 1. 30

Карты геоида Geoid - 99 СРНС в гидрографии. Часть 1. 31

Карты геоида (продолжение) Geoid - 96 СРНС в гидрографии. Часть 1. 32

Карты геоида (продолжение) Модель высот геоида на эллипсоидом WGS 84 с сеткой 10º х10º СРНС в гидрографии. Часть 1. 33

Карты геоида (продолжение) СРНС в гидрографии. Часть 1. 34

Созвездия навигационных искусственных спутников СРНС в гидрографии. Часть 1. 35

Орбитальные параметры СРНС Параметры ГЛОНАСС Число НИСЗ в системе 24 Число орбитальных плоскостей Наклон орбиты I (град) Период обращения Т GPS 24 3 6 64. 8 55 11 час. 16 мин 11 час. 58 мин. СРНС в гидрографии. Часть 1. 36

Орбитальные параметры СРНС (продолжение) Для круговых орбит имеем: • угловая скорость обращения НИСЗ ωс = 2 π / T ; • радиус-вектор определяется формулой Rз = f. М з / ω²с ; • линейная скорость перемещения вдоль орбиты v = ωс * R; • средняя высота над земным шаром радиуса Rз Н = R - Rз; • радиус зоны видимости на земной поверхности: S = * Rз • широта видимости "за полюсом" > 180° - ( +i); Геоцентрический угол, определяющий зону радиовидимости спутников, находим по теореме синусов: = агссоs [соs( ) / (1 + Н/Rз)] - , - так называемая маска, минимальная высота спутника над горизонтом. СРНС в гидрографии. Часть 1. 37

Зоны видимости со станции и с высоты НИСЗ СРНС в гидрографии. Часть 1. 38

Зоны видимости со станции и с высоты ИСЗ Наибольший путь сигнал от НИСЗ проходит на предельно низкой высоте над горизонтом, наименьший - вертикально вниз с зенита. Разность этих путей d. S составляет : d. S = R * sin( ) / соs( ) – Н Когда НИСЗ проходит через зенит Z , разность моментов захода и восхода равна: t зхд – t всх = 2 / ωC Значения рассмотренных выше величин, вычисленные при Т = 12 часам, =10° и Rз = 6371 км, даны в таблице. СРНС в гидрографии. Часть 1. 39

Показатели движения НИСЗ по круговой орбите СРНС в гидрографии. Часть 1. 40

Вычисление зенитных расстояний - z и азимутов направлений - Аз на НИСЗ B, L – геодезические координаты наблюдателя Xa, Ya, Za - геоцентрические координаты наблюдателя Xi, Yi, Zi - геоцентрические координаты НИСЗ на момент i Rai – расстояние от станции до НИСЗ sin z * cos(Аз) sin z * sin(Аз) cos z sin(B)*cos(L) sin(B)*sin(L) cos(B) = -sin(L) cos(L) 0 cos(В)*cos(L) cos(B)*sin(L) sin(B) (Xi-Xa) / Rai * (Yi-Ya) / Rai (Zi-Za) / Rai Зенитное расстояние z вычисляется по третьему уравнению, азимут по первым двум. Для наблюдений интерес представляют лишь НИСЗ, зенитные расстояния которых z <90° (находятся над горизонтам). СРНС в гидрографии. Часть 1. 41 Ю. г.

Характеристики сигналов СРНС Параметр Поляризация радиоволн Несущие частоты L 1 Несущие частоты L 2 Разделение сигналов Объем потока сообщений Длительность, передачи сообщения Скорость передачи данных Повторение меток времени ГЛОНАСС круговая GPS круговая 1602, 56 + 1615, 5 Мгц 1575, 42 Мгц 1246, 44 + 1256, 5 Мгц 1227, 6 Мгц частотное кодовое 7500 бит 37500 бит 2, 5 мин 12, 5 мин 50 зн/с 2 с СРНС в гидрографии. Часть 1. 6 с 42

СЧЕТ ВРЕМЕНИ В СРНС Международное атомное время (Time Atomic International = TAI) и время спутниковой системы (GPST) не совпадают. TAI течет равномерно и постепенно расходится с Всемирным временем UT (Universal Time), соответствующим GMT. UTC (Universal Time Coordinated) – атомное время корректируется по UT 1 при расхождении с ним более чем на 0. 9 с. СРНС в гидрографии. Часть 1. 43

Дальномерные коды (PRC) СРНС в гидрографии. Часть 1. 44

В СРНС ГЛОНАСС все сигналы модулированы одними и теми же высокой (ВТ) или стандартной (СТ) точности кодами. Каждый спутник работает на собственных частотах. Разделение сигналов СРНС ГЛОНАСС частотное. Значения частот f L 1 f 01 + К f 1, f L 2 = f 02 + К f 2 f 01 = 1602 Мгц, f 1 = 0, 5625 Мгц , f 02 = 1246 Мгц, f 2 = 0, 4375 Мгц, = где номера К = 1 24. В 1998 г. , чтобы не мешать радиоастрономии, были исключены номера К = 16 20. Спутники в противоположных полушариях получили одинаковые номера. К 2005 г. сохранят только номера К = 1 -12, позже: с -7 по +4. На каждом спутнике все сигналы формируют от одного талонного генератора основной частоты f 0 = 5, 11 МГц. Несущие частоты находятся в соотношении f. L 1/ f. L 2 = 9/7. Длины волн 01 = 18, 7 см, СРНС в гидрографии. Часть 1. 02 = 24, 1 см. 45

Расчет координат по данным СРНС Ø Прямое решение по трем измеренным псевдодальностям; Ø Параметрическое решение по неограниченному числу псевдодальностей (уравнивание по обобщенному МНК) в вариантах 2 D и 3 D. Необходимо преобразование: X, Y, Z – B, L, H СРНС в гидрографии. Часть 1. 46

Вычислений по формулам Боуринга 1. Вычисляем радиус параллели: r = (X² + Y ²)½ 2. Вычисляем вспомогательный угол Q: Q = arctg ( - 3. Z/r); где =1/ (1 -e²)½ ; 3. Вычисляем геодезическую широту В: B =arctg [(Z + p*sin³ Q)/(r - q*cos³ Q)]; где: p=a*e² /(1 -e²)½; q = a*e²; 4. Вычисляем долготу: L = arctg (Y/X) 5. Вычисляем высоту над эллипсоидом: ) СРНС в гидрографии. H= (Z / sin B) – N *(1 -e² 47 Часть 1.

Геометрический фактор Ø Часто встречающийся в английской аббревиатуре геометрический фактор PDOP определяет точность положения точки в пространстве, Ø HDOP- в горизонтальной плоскости и VDOP – в вертикальной плоскости. Ø Полный геометрических фактор определения носит наименование GDOP. СРНС в гидрографии. Часть 1. 48

Геометрический фактор (продолжение) Расчет геометрического фактора основывается на элементах ковариационной матрицы определяемых величин (широты, долготы, геодезической высоты и поправки временной шкалы): 1 - [a] -[b] [aa] -[ab] К x = μ² * -[bb] -[c] -1 – [ac] -[bc] [cc] q. DB q. D L q DH q B L q BH = μ² q LH q. H * Отсюда имеем СКП определяемых величин: m = μ *√q. D , m. B = μ* √q. B , m L = μ*√q L , m = μ*√q. H. D H СРНС в гидрографии. Часть 1. 49

Геометрический фактор (продолжение) Аббревиатура DOP (Dilution of Precision) – обозначает уменьшение точности, а первые буква P (Position), H (Horizontal), V(Vertical) обозначают о каком уменьшение точности идет речь. Указанные величины уменьшения точности вычисляются по следующим формулам: GDOP HDOP PDOP VDOP = (q. D + q. B +q L + q. H)½, = (q. B + q L ) ½. , = (q. B + q L + q. H ) ½, = q. H ½. . СРНС в гидрографии. Часть 1. 50

Геометрический фактор (продолжение) СРНС в гидрографии. Часть 1. 51

Оценка точность спутникового определения Ковариационная матрица определяемых величин: 1 - [a] -[b] -[c] [aa] -[ab] К x = μ² * –[ac] -[bb] -[bc] -1 [cc] = μ² * q. DB q. D L q DH q B L q BH q LH q. H где [aa], [bb], [cc] – гауссовы суммы коэффициентов параметрических уравнений, Отсюда имеем: m. D = μ *√q. D , m. B = μ* √q. B , m L = μ*√q L , m. H = μ*√q. H СРНС в гидрографии. Часть 1. . 52

Оценка точность спутникового определения (продолжение) Среднеквадратическое радиальное отклонение (СРО) в метрах которое может быть получено в виде: m= { m²B + m² L }½ m= σ * (q. B + q L ) ½. , = σ * HDOP где σ- средняя квадратическая ошибка измерения псевдодальности В англоязычной литературе СРО имеет наименование: «distanse RMS» (DRMS) Среднеквадратическое сферическое отклонение (ССО) в метрах может быть получено в виде: М= { m²B + m²L + m²H }½ М= σ * (q. D + q. B +q. L ) ½, = σ * PDOP СРНС в гидрографии. Часть 1. 53

Оценка точность спутникового определения (продолжение) Элементы среднеквадратического (плоского) эллипса погрешностей на основе параметров ковариационной матрицы могут быть представлены в виде: а² = (к* σ)²/ 2 * { q. B +q L + [ (q. D - q. B)² + (2* q. B L)² ] ½ } b² = (к* σ)²/ 2 * { q. B +q L - [ (q. D - q. B)² + (2* q. B L)² ] ½ } tg 2*θ = 2* q BL / (q. D - q. B ) где а – большая полуось эллипса погрешностей, b– малая полуось, θ- азимут большой полуоси эллипса СРНС в гидрографии. Часть 1. 54

NMEA Сообщение $GPGST Величины а, в, θ, а также σ , m. B m. L и m. H могут передаться из СНА в составе сообщения формата NMEA 0183 - предложение «GST» . При этом в тексте протокола NMEA 0183 используются англоязычные обозначения: σ –Root mean square value of the pseudorange residuals; m. B- Latitude 1 sigma error; m L- Longitude 1 sigma error; m. H - Altitude 1 sigma error; а - error ellipse semi-major axis 1 sigma error b - error ellipse semi-minor axis 1 sigma error θ - error ellipse orientation (degrees from true north) СРНС в гидрографии. Часть 1. 55

Наименование Вероятность к 1 2 3 4 5 6 7 (%) 1 Среднеквадратический эллипс (СКЭ) (1 -sigma ellipse) 39. 35 1 1 1. 18 1. 41 2 2. 45 2. 83 3 2 Вероятная погрешность Circular Error Probable (CEP) 50. 1. 117 0. 85 1 1. 20 1. 70 2. 08 2. 40 2. 55 3 СРО (DRMS) 63. 21 1. 414 0. 71 0. 83 1 1. 41 1. 73 2 2. 12 4 Двойной СКЭ 86. 47 (2 -sigma ellipse) 2 0. 59 0. 71 1 1. 22 1. 41 1. 5 5 (95% confidence) 2. 448 0. 41 0. 48 0. 58 0. 82 1 1. 16 1. 23 6 Удвоенное СРО 98. 17 (2 DRMS) 2. 828 0. 35 0. 42 0. 5 0. 71 0. 87 1 1. 06 7 Тройной СКЭ 98. 89 (3 -sigma ellipse) 3 0. 39 0. 47 0. 67 0. 82 0. 94 1 95 СРНС в гидрографии. Часть 1. 56

Расчет точности спутникового определения с заданной вероятностью Рассмотрим следующий пример. В результате решения задачи расчета вероятнейших координат пункта по данным СРНС получены: m. B (Latitude 1 sigma error) и m L (Longitude 1 sigma error) равные: 4 и 3 м. Величина СРО составляет: 5 м. вероятность нахождения пункта внутри круга с радиусом 5 м. составляет 63. 21%. Для того, чтобы перейти к оценке точности на уровне 95 % доверительной вероятности необходимо полученную величину умножить на коэффициент к =1. 73 Тогда оценка координат местоположения на уровне 95 % составит: 5 * 1. 73 = 8. 65 м. СРНС в гидрографии. Часть 1. 57

Точности спутникового определения с заданной вероятностью СРНС в гидрографии. Часть 1. 58

Основными погрешностями при определении псевдодальности являются: σ э - средняя квадратическая погрешность (СПК ) псевдодальности за счет погрешностей эфемерид σ ч - СПК псевдодальности за счет погрешности определения частотно временных поправок (синхронизация системы), σ п - СПК псевдодальности за счет шумовой погрешностей СНА σ и - СПК псевдодальности за счет недоучета ионосферы σ т - СПК псевдодальности за счет недоучета тропосферы σ м - СПК псевдодальности за счет многолучевости. Считая индивидуальные погрешности случайными величинами, распределенными по нормальному закону, результирующая априорная СКП определения псевдодальности предстанет в виде: σ = (σ²э +σ²ч+ σ²п + σ²и + σ²т + σ²м)½ СРНС в гидрографии. Часть 1. 59

Основные источники ошибок определения псевдодальностей Источники ошибок СА-код Р-код (м) Погрешности эфемеридой информации 0. 2 -0. 5 Синхронизация системы 3. 6 Шумы приемника СНА 1. 5 0. 6 Учет влияние ионосферы 7 0. 01 -2. 25 Учет влияния тропосферы 0. 7 Влияние многолучевости 1. 2 -1. 8 Итого 8. 1 3. 9 – 4. 7 СРНС в гидрографии. Часть 1. 60

Погрешности от ионосферы Ø Ионосфера простирается от 50 до 1000 км. над поверхностью Земли и содержит свободные электроны и ионы, искривляющие путь радиолучей. Ø Измерения на двух частотах практически полностью устраняют влияние ионосферы Ø В одночастотной аппаратуре используются модель ионосферы средней высотой 350 км. СРНС в гидрографии. Часть 1. 61

Погрешности от тропосферы В нижних слоях атмосферы скорость распространения радиоволн равна: v=с/n, где с - скорость в вакууме, n- показатель преломления атмосферы. Показатель n для радиоволн зависит только от метеоусловий и может быть вычислен по формуле: (n – 1) 106 = A (P + B) где А = 77, 6/Т, В = 4810 е/Т, Т = 273, 2 + t°С, Р - атмосферное давление в миллибарах, е - давление водяных паров (влажность) в миллибарах. СРНС в гидрографии. Часть 1. 62

Погрешности тропосферы (продолжение) Разработан ряд формул для поправок за атмосферу. В качестве исходных данных используют метеорологические параметры пункта наблюдений. Формулу расчета поправки (м) в псевдодальность за влияние атмосферы представим в следующем преобразованном виде: атм = 0, 002277 [ Р + (0, 05 +1255 / Т) е – tg 2 Z ]/ соs. Z Приняв давление Р = 1013 мб, температуру Т = 288° К или 15°С, влажность е =10 мб, получим следующие величины для атм в зависимости от зенитных расстояний Z: Z° 0 20 40 атм(м) 2. 41 2. 56 3. 14 60 4. 80 70 7. 0 СРНС в гидрографии. Часть 1. 80 13. 4 85 24. 2 63

Многолучевость К антенне приходят радиолучи непосредственно от спутника, а также радиолучи, обогнувшие вследствие дифракции мелкие предметы и отраженные от земной поверхности, зданий и других объектов местности. Многолучевость ведет к искажению дальностей. СРНС в гидрографии. Часть 1. 64

Многолучевость (продолжение) В фазовых измерениях искажения из-за многолучевости достигают нескольких сантиметров, период их колебаний около 10 минут, а при продолжительных наблюдениях происходит их хорошая компенсация Ø Влияние многолучевости на кодовые измерения более значительны; их оценивают погрешностями в несколько метров. В геодезических антеннах устанавливают металлические экраны, отсекающие отраженные от земной поверхности лучи Ø СРНС в гидрографии. Часть 1. 65

Многолучевость (продолжение) Другим путем борьбы с явлением многолучевости является специальный способ первичной обработки измерений, реализованный в программном обеспечение спутниковой аппаратуры Специальная программа «Everest» используется в аппаратуре фирмы «TRIMBLE» в качестве стандартной опции. СРНС в гидрографии. Часть 1. 66

Влияние препятствий на работу СНА I = D * tg + h, где h - высота центра антенны, - угол наклона радиолуча, D -расстояние до препятствия, I - высота препятствия. При углах < 10° наблюдения, как правило, не ведут и для допустимых расстояний D имеем результат, представленный в таблице. Высота антенны (h), м 1. 5 2. 5 Высота препятствия (I), м Допустимая дальность (D), м 5 20 20 100 СРНС в гидрографии. Часть 1. 67

Условия проведения спутниковых определений. Основным показателем, характеризующим условия спутникового определения координат станции, является величина геометрического фактора изменения точности местоположения в пространстве (Position Dilution of Precision) – PDOP. При этом для оценка качества спутникового определения пользуются следующей шкалой: Вербальная оценка Хорошая <4 Удовлетворитель 5 -7 ная На открытой местности имеет место соотношение: 1. 6< PDOP<∞. Плохая >8 Наличие 24 рабочих НИСЗ СРНС «Навстар» на открытой местности PDOP постоянно обеспечивают надежное определение положения станции. При уменьшении числа рабочих НИСЗ до 18 точность падает, но определение местоположения при условии PDOP<4 возможно лишь в 70% случаев. СРНС в гидрографии. Часть 1. 68

Настройка режимов работы СНА В СНА марки Geo. Explorer 3 фирма Trimble по умолчанию присвоены следующие установки: Elevation_Mask=15°, PDOP Mask=6, Signal Strength Mask=6, Position Fix Mode=Manual 3 D Опции автоматического переключения режима работы. В профессиональной СНА возможен следующий выбор: “ 3 D Overdetermined” ”Manual 3 D”, “Manual 2 D”, “Auto 2 D/3 D”. СРНС в гидрографии. Часть 1. 69

Вариант автоматического переключения режима работы СНА Вариант «“ 3 D Overdetermined”» (Фиксированный режим 3 D) предполагает, что для расчета пространственных координат станции (широта, долгота, высота) будут использованы только результаты измерений псевдодальнойстей по крайней мере до пяти НИСЗ, имеющих допустимые значения: угла места, соотношения сигнал шум и пространственного геометрического фактора. СРНС в гидрографии. Часть 1. 70

Вариант автоматического переключения режима работы СНА (продолжение) Вариант «“Manual 3 D”» (Ручной режим 3 D) предполагает, что для расчета пространственных координат станции (широта, долгота, высота) будут использованы результаты измерений псевдодальностей оптимального созвездия НИСЗ. Если количества НИСЗ для расчета 3 D позиции недостаточно, то расчет местоположения прекращается. СРНС в гидрографии. Часть 1. 71

Вариант автоматического переключения режима работы СНА (продолжение) Режимы “ 3 D Overdetermined” и ”Manual 3 D” используются для получения наиболее точных результатов. СРНС в гидрографии. Часть 1. 72

Вариант автоматического переключения режима работы СНА (продолжение) Вариант «“Manual 2 D”» (Ручной режим 2 D) предполагает что будут рассчитаны только широта и долгота станции, а геодезическая высота будет введена в качестве исходного данного. При этом будут использованы результаты измерений псевдодальностей до трех и более НИСЗ Данный режим предполагает ручной ввод в СНА величины текущего значения геодезической высоты. Если геодезическая величина не введена, то будет использовано ее значение, полученное из последнего 3 D решения. СРНС в гидрографии. Часть 1. 73

Вариант автоматического переключения режима работы СНА (продолжение) Вариант «Auto 2 D/3 D» предполагает расчет 3 D координат когда это возможно. Однако, когда величина PDOP в режиме 3 D превысит маску или доступны измерения только трех псевдодальностей, то СНА автоматически перейдет в режим 2 D. При переключении в режим 2 D в качестве текущего значения геодезической высоты будет использовано ее значение, полученное из последнего 3 D решения. Этот режим обеспечивает наиболее полную регистрацию координат даже в случае видимости только трех НИСЗ. Однако следует помнить, что решение 2 D как правило, менее точное по сравнению с 3 D. СРНС в гидрографии. Часть 1. 74

Вариант автоматического переключения режима работы СНА (продолжение) Имеются программы обработки данных, позволяющие отфильтровать (отбраковать) решения 2 D при окончательной обработке файлов съемки. Примерами таких программ являются: Pathfinder Office и Geomatic Office фирмы TRIMBLE СРНС в гидрографии. Часть 1. 75

Прогнозирование спутниковых определений В составе пакетов программ Pathfinder Office и Geomatic Office имеются программы для прогноза спутниковых определений. СРНС в гидрографии. Часть 1. 76

СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ по части 1 курса СРНС 1. ГОСТ Р 51794– 2001. – М. : 2001. 2. Каврайский А. В. Оценка точности формул преобразования геодезических координат из одной системы в другую // Навигация и гидрография, 1999. – № 9. 3. Параметры общего земного эллипсоида и гравитационного поля Земли ( «Параметры Земли 1990 года» ). – М. : ВТУ Г Ш, 2000. 4. User’s handbook on datum transformations involving WGS-84. SP-60 – International Hydrographic Organization, 1998. 5. Серапинас Б. Б. Глобальные системы позиционирования. Издание 3 -е, исправленное и дополненное. М. , ИКФ «Каталог» , 2002, 106 с. 6. Соловьев Ю. А. Системы спутниковой навигации. М. , ЭКО-ТРЕНДЗ, 2000 7. Применение спутниковых радионавигационных систем в г и д р о г р а ф и и (конспект лекций), ГМА, 2005. СРНС в гидрографии. Часть 1. 77

Завершение учебной презентации СРНС в гидрографии. Часть 1. 78