Спутниковые измерения. Математическая обработка результатов геодезических измерений. Съемка местности

9. СПУТНИКОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ

Для спутниковых геодезических определений используется аппаратура, работающая по сигналам спутников навигационных систем GPS (Global Positioning System, США) и ГЛОНАСС (Глобальная навигационная спутниковая система, Россия). В Европейском союзе ведутся работы по созданию еще одной системы - GNSS-2 “GALILEO”. 

Краткие сведения об этих системах приведены в табл. 9.1.

Таблица 9.1

Аппаратура принимает измерительные сигналы и навигационные сообщения о параметрах орбит, транслируемые искусственными спутниками Земли (ИСЗ), входящими в состав системы.

Параметры орбит спутников вычисляются в центре управления системой по результатам измерений, выполняемых на постоянных контрольных станциях слежения за спутниками. Вычисленные параметры орбит передаются на спутники и транслируются ими в составе навигационного сообщения наземным потребителям. Знание параметров орбит позволяет вычислить на любой момент геоцентрические координаты спутников X, Y, Z. Координаты спутников GPS вычисляют в системе координат WGS-84, а спутников ГЛОНАСС в системе ПЗ-90.

Измерительными сигналами, непрерывно транслируемыми спутниками, являются высокостабильные несущие частоты L1 и  L2, модулированные дальномерными кодами: С/А-кодом (от английского clear acquisition – свободного пользования) стандартной точности и Р-кодом (от английского precise –точный) повышенной точности.  В зависимости от числа принимаемых частот спутниковая аппаратура бывает одночастотная и двухчастотная.

Приемники спутниковых сигналов выполняют кодовые и фазовые измерения, связывающие положение приемника с положением всех спутников, находящихся над горизонтом в пределах прямой радиовидимости.

Кодовыми измерениями определяется интервал времени Dt между моментом приема кода наземным приемником и моментом его посылки спутником. Умножив интервал времени на скорость распространения сигнала, получают псевдорасстояние между спутником и приемником. От верного расстояния псевдорасстояние отличается потому, что время посылки сигнала определяется часами спутника, а время приема фиксируется по несинхронным часам приемника.

По измеренным псевдорасстояниям вычисляют координаты X, Y, Z и поправку часов приемника. Для определения четырех неизвестных выполняют одновременные наблюдения не менее четырех спутников. Определение координат по результатам кодовых измерений выполняется с точностью около 3 м.

Для повышения точности пользуются дифференциальным методом. На контрольном пункте с известными координатами устанавливают приемник спутниковых сигналов (базовая станция), которым выполняют одновременные кодовые измерения. Сравнивая измеренные псевдорасстояния до спутников с вычисленными по известным координатам расстояниями, определяют поправки, которыми исправляют псевдорасстояния, измеряемые потребителями. При этом ошибки определения места относительно контрольного пункта не превышают 1 м.

В геодезических работах кодовые измерения играют вспомогательную роль – определение приближенных координат пунктов сети.

Фазовыми измерениями, выполненными на несущей частоте, определяют сдвиг по фазе между колебаниями, принятыми от спутника, и колебаниями такой же частоты, выработанными  приемником. Умноженные на длину волны фазовые сдвиги представляют собой фрагменты псевдорасстояний, измеренные с высокой точностью - 1¸2 мм. При этом, для определения расстояния спутник-приемник надо предпринимать дополнительные действия по определению целого числа длин волн, укладывающихся в измеренном расстоянии, т.е. разрешению неоднозначности фазовых измерений.

Однако вычислить по результатам фазовых измерений  координаты приемника с указанной высокой точностью не удается, из-за ошибок орбиты, влияния ионосферы и других причин. Точность фазовых измерений реализуют, применяя метод относительного определения положения пунктов. Результаты одновременных наблюдений одного и того же спутника в двух пунктах содержат значительные, но общие, близкие по величине погрешности. Поэтому разности результатов измерений от них практически свободны и позволяют с высокой точностью определять разности координат X, Y, Z  двух пунктов, то есть трехмерный вектор DX, DY, DZ, их соединяющий. Следовательно, зная координаты X, Y, Z одного пункта, можем измерив разности координат DX, DY, DZ до другого, вычислить и его координаты.

Фазовые измерения в геодезических работах играют главную роль, обеспечивая возможность построения геодезических сетей высокой точности.

Наблюдения созвездия ИСЗ в геодезии выполняют, как правило, комплектом, состоящим из двух и более спутниковых приемников.

Комплект каждого приемника включает следующие блоки: антенну, приемник, контроллер (управляющее устройство), а также вспомогательные принадлежности: блок питания (для зарядки аккумуляторов), аккумуляторы или батареи, кабели, штативы, вешки для установки антенны, контейнер для переноски, рулетку и пр.

Спутниковая геодезическая аппаратура предусматривает возможность работы в различных режимах.

В режиме “Статика” стационарные наблюдения на пунктах выполняются неподвижными приемниками. Один из приемников принимается за базовый. Все станции, положение которых определяется относительно базовой станции, считаются передвижными. Наблюдения в режиме «Статика» выполняются, как правило, на больших расстояниях (свыше 15 км). Время наблюдений зависит от длины базовой линии, числа наблюдаемых навигационных ИСЗ, состояния ионосферы и тропосферы, требуемой точности и т. д. Оно обычно составляет не менее 1 ч.

Продолжительность наблюдений можно сократить, если использовать режим «Быстрая статика», в котором применяются активные алгоритмы разрешения неоднозначности фазовых измерений. Его используют обычно на линиях до 15 км. Продолжительность наблюдения составляет 5-20 мин.

Режим «Реоккупация» используется, когда на пункте нет видимости необходимого числа спутников. Для этого наблюдения на пункте выполняются два раза и более. Например, четыре одновременных измерения псевдодальностей  до 4 навигационных ИСЗ можно заменить на два последовательных измерения, разнесенных по времени, по двум спутникам. На этапе компьютерной обработки все собранные данные объединяют для выработки одного решения.

Режим «Кинематика» предполагает определение координат передвижной станции в ходе ее перемещения. Но он требует, чтобы приемник удерживал захват спутников в течение всего времени перемещения.  Измерения начинают в пунктах инициализации. Цель инициализации – разрешить неоднозначность фазовых измерений.