ВЫСШАЯ ГЕОДЕЗИЯ Общие принципы использования ИСЗ в геодезических

Зарегистрируйтесь, чтобы просмотреть полный документ!

ВЫСШАЯ ГЕОДЕЗИЯ Общие принципы использования ИСЗ в геодезических целях. Спутниковые навигационные системы Лекция 4 Земцова А. В.

Области применения GNSS • • создание и развитие геодезических сетей спутниковыми методами; топографо-геодезические работы; геологоразведочные работы; разработка месторождений полезных ископаемых; контроль и мониторинг смещений искусственных сооружений; кадастровые и землеустроительные работы; геодезическое обеспечение строительства;

Области применения GNSS • прокладка и мониторинг нефтяных, газовых и иных трубопроводов, кабелей, путепроводов, ЛЭП и др. инженерноприкладных работ

Фундаментальное уравнение космической геодезии

Основные принципы спутниковой навигации 1. Спутники с известной позицией передают регулярный сигнал 2. Определение координат основано на измерении времени распространения радиоволн (электромагнитные сигналы распространяются со скоростью света c = 300’ 000 км/с), позиция приемника вычисляется. Расстояние = транзитное время * скорость звука Разница между стартовым и конечным временем - транзитное время 5

Модулирование несущих сигналов в ГССП GPS и ГЛОНАСС Дальномерные коды и другая необходимая информация, встраиваются в несущие колебания путем фазовой манипуляции (разновидность фазовой модуляции) Принцип генерации фазоманипулированных сигналов 6

Принципы формирования и виды сигналов, излучаемые спутниками GPS Упрощенная схема формирования радиосигналов на спутнике GPS Генератор опорной частоты f 0=10. 23 МГц 154 f 0 120 f 0 115 f 0 f 0/10 Несущая частота L 1: f. L 1 = =1575. 42 МГц; λL 1=19 см C/A-code (f. C/A=1. 023 МГц) P-code (f. P=10. 23 МГц) Несущая частота L 2: f. L 2 = =1227. 60 МГц; λL 1=24 см C/A-code (f. P=10. 23 МГц) Несущая частота L 5: f. L 5 = =1176. 45 МГц; λL 1=25. 5 см C/A-code Навигационное сообщение (эфемериды, поправки к часам спутника, альманах, коэффициенты ионосферной модели, информация о работоспособности спутников) Дальномерные коды C/A-code – грубый код или код открытого доступа P-code – точный или защищенный код Режимы доступа AS – режим дополнительного шифрования P-code SA – режим селективного доступа (отменен в 2001 7 г. )

Кодовый метод Теоретически: rs= сΔτ = с [NTп + (m + ф) Tm]. (4) Часы спутника ts Излученный спутниковый сигнал (ПСП) Учитывая, что λ = c. Т, 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) Принятый спутниковый сигнал Сигнал, сгенерированный в приемнике Часы приемника tr Δτ = (Ts – Tr) 8

Фазовый метод Теоретически: Часы спутника ts Практически, в простейшем случае имеем Излученный спутниковый сигнал (несущая) Принятый спутниковый сигнал Часы приемника tr Δτ = (Ts – Tr) Сигнал, сгенерированный в приемнике 9

ГНСС первого поколения TRANZIT и ЦИКАДА Характеристика TRANZIT ЦИКАДА Период действия 1964 – 1996 1967 - 1997 Количество ИСЗ 5 6 900 830 Высота 1075 км 1000 км Период обращения 107 мин 105 мин Наклон орбиты В СССР в 1984 -1993 гг создана доплеровская геодезическая сеть

На данный момент существует шесть систем, функционирующие или находящиеся в стадии развертывания: - Глобальная Система Позиционирования (GPS) под управлением правительства США; - Глобальная Навигационная Спутниковая Система (ГЛОНАСС) под управлением правительства России; - Спутниковая Система Позиционирования Галилео (Galileo) под управлением Европейского Союза; - Спутниковая Система Позиционирования Компас (Compass) под управлением правительства Китая; -IRNSS (Indian Regional Navigation Satellite System), Индия; Quasi-Zenith навигационная система (QZSS) Япония. 11

СТРУКТУРА СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

КОСМИЧЕСКИЙ СЕГМЕНТ орбитальная группировка искусственных спутников Земли Galileo

Сегмент управления наземный комплекс управления орбитальной группировкой космических аппаратов, предназначенный для контроля функционирования, непосредственно управления и информационного обеспечения сети спутников GPS - наземные станции слежения и управления : (главная станция управления в штате Колорадо), станции слежения на американских военных базах на Гавайских островах, на атолле Кваджалейн в Тихом океане, на острове Вознесения в Атлантическом и на острове Диего-Гарсия в Индийском океане. ГЛОНАСС - центр управления системой г. Краснознаменск); командные станции слежения (г. Щелково, гг. Санкт-Петербург, Воркута, Якутск, Енисейск, Улан-Удэ, Уссурийск и Петропавловск-Камчатский);

Cтанции слежения измеряют сигналы со спутников об их местоположении и соотносят эти данные с математическими моделями орбит для каждого из спутников. По моделям рассчитывают точные параметры орбит – эфемериды (ephemeries) и коррекции часов для каждого спутника. Эта информация посылается на спутник, после чего он шлет набор данных орбитальных эфемерид на приемники GPS через радиосигнал.

Оборудование для GPS-наблюдений подразделяется на основное и вспомогательное 16

GPS - оборудование Trimble R 7 GNSS Topcon CR 3 GGD Trimble Zephyr Model 2 JPS Regant w/Dual Depth Trimble TSC 3 Trimble GNSS Choke Ring 17

Классификация спутникового оборудования Системная классификация. 1) Односистемные (обычно ориентированы 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 L 1); 4) Кодово-фазовые двухчастотные (C/A-code, P-code, фаза несущей L 1 и L 2). 18

Характеристика Начало разработки Запуск первого спутника Количество спутников в полностью развернутой орбитальной группировке Количество орбитальных плоскостей Высота орбит над поверхностью Земли, км Наклонение орбит, . . . ° Период обращения, ч-мин Характеристики сигнала Частоты Шифрование Геодезические данные ГЛОНАСС Галилео GPS 1972 2001 1973 Октябрь 1982 Декабрь 2005 Февраль, 1978 24+3 пассивных резервных 27+3 активных резервных 24/32 3 3 6 19100 м 23616 м 20180 м 64, 8 56 55 11 ч15 мин 14 ч 05 мин 11 ч58 мин FDMA CDMA 24 2 частоты, 3 планируется Военный сигнал CS и PRS сервисы Параметры Земли 1990 (ПЗ -90) Galileo Terrestrial Reference Framt (GTRF) Всемирная геодезическая система WGS-84 CDMA- идентификация кода: код отличается у каждого спутника FDMA- идентификация частоты: частота отличается у каждого спутника

Galileo По инициативе Еврокомиссии и Европейского космического агентства в 1999 году принято решение о создании независимой навигационной системы Galileo Центры управления будут расположены в Фучино (Италия) - за навигационные услуги, тестирование; и Оберпфаффенхофене (Германия) - за спутники Станции слежения и корректировки: Куру Французской Гвианы, в норвежском Шпицбергене. А также в антарктическом Тролле, на островах Реюньон и Кергелен в Индийском океане, в Новой Каледонии Тихого океана. 28 государств Европы, Индия, Китай, Израиль, Марокко, Корея, Украина и Саудовская Аравия 20

Спутниковая навигационная система Бэйдоу Экспериментальная спутниковая навигационная система Бйэдоу-1 2000 г. -2003 г. 3 спутника Бэйдоу-2 COMPASS 2012 год: Навигационная система для покрытия территории Китая и остальной Азии 2020 год: Глобальная навигационная система 8 мая 2014 система прошла экспертную проверку, в ходе которой было установлено, что её точность составляет менее 1 метра

IRNSS (Индийская региональная навигационная спутниковая система) территория Индии и за ее пределами на расстоянии 1500 километров от границы 7 спутников 2006 г. Наземные станции, отвечающие за работу всей системы, будут располагаться в 15 разных точках по всей территории Индии Квазизенитная спутниковая система Quasi -Zenith Satellite System Япония Орбита QZSS 2002 г. 2010 г. – первый спутник Земной сегмент станция мониторинга, станция резервирования, станция контроля и управления бортовыми системами

В геодезических определениях координат точек местности используются в основном относительные измерения В статике по разностям, свободным от многих искажений, вычисляют соединяющий станции пространственный вектор D Координаты от опорного пункта передаются к определяемому через базовую линию. Ошибки такой передачи зависят от длины базовой линии и напрямую включают в себя ошибки координат исходного пункта. Длина базовой линии при построении заполняющих геодезических сетей рекомендуется в 5 – 15 км. Для геодезических разбивочных сетей эта рекомендация не обязательна.

Геодезические измерения с GPS Дифференциальная коррекция (RTK) от базовой станции GPS может быть послана посредством связи на подвижный GPS, для получения точных координат

Локальная (временная) базовая станция На основе стандартных геодезических GPS приемников Преимущества: • мобильность

Постоянная одиночная базовая станция GPS На основе специализированных базовых GPS приемников Недостатки: • нет мобильности Преимущества: • питание от бесперебойного блока питания с поддержкой от блока аккумуляторных батарей и от опционально солнечных батарей (24 часа / 365 дней) • более низкая стоимость оборудования • полное управление от компьютера, контроллер не нужен • полный удаленный контроль и управления • автоматической передачи сырых данных через интернет • автоматической передачи данных реального времени через сотовый телефон, мобильный интеренет (GPRS, Ntrip) • есть возможность установки метеодатчиков

Основной принцип работы сети референцных станций • Сеть постоянных базовых станций

На данный момент на территории РК функционируют более 60 референцных станций Сеть референных станций в г. Астане

Источники ошибок, оказывающие влияние на результаты позиционирования при помощи ГССП GPS и ГЛОНАСС Случайные ( «белый шум» ) влияние минимизируется путем осреднения результатов 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. 29

Влияние эффекта многолучевости на результаты GPS/ГЛОНАСС измерений Пр ям ой си гн ал Отр аже й си ямо Антенна Пр Отр аж h й си Поверхность л гнал θ θ h Отображение антенны гнал енны θ нны Излишне пройденный сигналом путь θ Переотражение сигнала может привести к ошибкам в измерении псевдодальностей по коду и фазе несущей до 20 м (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 chokering. 30

Препятствия на пути спутникового сигнала H θ h D Высота препятствия H, м 2 5 10 15 25 Рекомендуемое расстояние D, м 3 20 49 77 134 Примечание: таблица составлена для h = 1. 5 м 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. 31

Влияние нестабильности и неточного знания положения фазового центра антенны на результаты GPS/ГЛОНАСС позиционирования зенит НИСЗ z Среднее положение фазового центра ARP Использование при наблюдениях антенн разных типов может привести к ошибкам определения отметок пунктов до 10 см. Вариации фазового центра приводят к искажению длинных базовых линий на величину до 0. 016 ppm ASHTECH CR L 1 AOA RASCAL L 1 Графики вариации фазы принимаемого сигнала для двух типов антенн 32

Калибровка GPS/ГЛОНАСС 33

Геометрический фактор (DOP) и его влияние на результаты GPS/ГЛОНАСС позиционирования DOP является связующим звеном между точностью псевдодальномерных измерений σmes и точностью позиционирования σ: Пример хорошей геометрии Матрица весовых коэффициентов координат точки PDOP Вербальная характеристика ≤ 4 хорошо 5 -7 удовлетворительно ≥ 7 Пример плохой геометрии плохо 34

Определение оптимального времени ( окна) ежедневного наблюдения (т. е. времени, когда два или более приемников производят одновременное наблюдения одних и тех же спутников). азимутально-высотная карт-схема для каждого пункта наблюдения, которая производится с помощью специальных программных продуктов Планировании GPS наблюдений

Планировании GPS эксперимента ВЫБОР СЕССИИ НАБЛЮДЕНИЙ Период времени, выбранный для записи спутниковых сигналов На выбор продолжительности сессии влияет: - длина измеряемой базовой линии; - количество видимых приемником спутников в небе (эффективная геометрия); - относительная геометрия спутников и изменение ее конфигурации со временем; - отношение сигнал/шум при получении спутникового сигнала. Как правило, чем больше спутников находится в секторе приемника и между ними, тем меньше требуемое время наблюдения. Продолжительность сессии может быть также уменьшена благодаря короткой базовой линии. Расчет минимального числа сессий Минимальное число n сессий в сети из s пунктов при использовании r приемников определяется выражением:

Геометрия спутников

М И Н И С Т Е Р С Т В О О Б Р А З О В А Н И Я И Н А У К И Р Е С П У Б Л И К А З А Х С Т А Н КАЗАХСКИЙ НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ имени К. И. САТПАЕВА ИНСТИТУТ ДИСТАНЦИОННОГО ОБРАЗОВАНИЯ При отслеживании минимум 5 спутников для многих приемных систем характерны следующие значения средних квадратических ошибок (D. . -расстояние до базовой станции в километрах): -в плане (5 + 1∙Dкм) мм при D меньше 10 км; -в плане (5 + 2∙Dкм) мм при D больше 10 км; -по высоте (10 + 2∙Dкм) мм. Статические наблюдения заранее проектируют с использованием альманаха, а пункты установки приёмников подбирают таким образом, чтобы сигнал от спутников не блокировался окружающими предметами местности. Небо должно быть максимально открыто вплоть до горизонта

Особенности построения геодезических GPS/ГЛОНАСС сетей Известное правило геодезии – «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) 39

Методы схем спутниковых измерений а) б) а) лучевой метод измерений с контролем (1); б) лучевой метод измерений с контролем (2);

Методы схем спутниковых измерений в) г) в) сетевой метод измерений (одноранговая сеть) г) сетевой метод измерений (многоранговая сеть)

Трансформация результатов GPS/ГЛОНАСС измерений в заданную систему координат 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. 42

Одна из возможных схем трансформации плановых координат из 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. 43

ПРАКТИЧЕСКАЯ ЧАСТЬ Общие рекомендации по выполнению геодезических GPS/ГЛОНАСС измерений 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. 44

Скачать презентацию ВЫСШАЯ ГЕОДЕЗИЯ Общие принципы использования ИСЗ в геодезических

4a4ca91620cd82f74336dde5c2060f55.ppt

Количество слайдов: 44