Кодовый режим - это режим, изначально заложенный в систему. Сигнал каждого спутника содержит его эфемериды - данные о местоположении спутника, позволяющие вычислить координаты спутника в земной системе координат. Кроме того, кодовый сигнал содержит передаваемую каждые шесть секунд временную метку. Момент ухода временной метки со спутника, определенный по часам спутника, подписан на ней. Приемник захватывает сигнал спутника, идентифицирует спутник по коду его сигнала, считывает временную метку и определяет время tr прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника. Все было бы именно так, если бы часы приемника и спутника шли синхронно. На самом деле между их показаниями в один и тот же момент времени существует ненулевая разность - относительная поправка часов. Она входит в результат определения дальности. Поэтому в данном случае дальность называют псев додальностью. Говорят, что в кодовом, навигационном режиме измеряемой величиной является кодовая псевдодальность. Поправку часов приемника относительно часов спутника на момент наблюдений определяют как неизвестную величину из обработки результатов этих наблюдений.
Таким образом, для каждого пункта имеется не три неизвестных - три координаты пункта - а четыре неизвестных: три координаты и поправка часов приемника. Следовательно, для мгновенного определения местоположения необходимо, чтобы на антенну приемника одновременно приходили сигналы не менее чем от четырех спутников системы. Созвездие спутников системы обеспечивает это требование.
Фазовый режим - это режим высокоточных геодезических измерений. В нем одновременно участвуют по крайней мере два приемника. В этом режиме получают координаты вектора базы, то есть разность координат пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Ошибка определения вектора базы составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Измерения выполняют на несущей частоте сигнала спутника, освобожденного от кода процедурой квадратирования. Измеряемой величиной является мгновенная разность фаз сигнала спутника и сигнала генератора приемника. Здесь уместно сказать о терминах абсолютные и относительные определения. По более или менее сложившейся терминологии под абсолютными определениями понимают определение координат пункта, то есть работу в кодовом навигационном режиме. Под относительными определениями понимают определение местоположения одного пункта относительно другого - твердого, исходного пункта. Таков разностный фазовый режим геодезических измерений. Относительными определениями можно также назвать дифференциальный навигационный кодовый режим, когда местоположение и вектор скорости подвижного носителя определяют относительно дифференциальной станции.
Допплеровский режим, точнее режим интегрального допплера, является как бы побочным по отношению к фазовому. Допплеровская частота пропорциональна скорости изменения фазы, поэтому допплеровскую частоту получают попутно с измерением фазы, без каких-либо дополнительных затрат. Несмотря на «бесплатность» этот режим дает богатую информацию о местоположении пункта. Следует напомнить, что первые спутниковые радионавигационные системы были исключительно допплеровскими.
Как сказано, режимы наблюдений неразрывно связаны друг с другом. Геодезиста более всего интересует высокоточный фазовый режим, однако приближенные значения координат пунктов, необходимые для уравнивания, он получает из кодовых и допплеровских измерений. Перемещение по объекту и поиск исходных пунктов также очень облегчает использование кодового навигационного режима. Далее рассмотрим измеряемые величины более детально.
1.1. Кодовые псевдодальности Каждый спутник системы излучает несущие колебания с длиной волны около 20 сантиметров, манипулированные по фазе кодовыми последовательностями. О структуре сигнала подробнее написано в разделе 3. Здесь скажем, что все спутники GPS работают на одних и тех же несущих частотах, но каждому спутнику присущ его индивидуальный код. Спутниковый приемник генерирует копии кода каждого спутника и идентифицирует спутники именно по форме кода. Сразу после включения приемника он начинает захват сигналов спутников. Другими словами, приемник выполняет корреляционную обработку сигнала спутника и генерируемых этим приемником копий кодов, перебирая эти копии. Отличие функции корреляции от нуля означает, что спутник идентифицирован, а его сигнал - захвачен.
После захвата сигнала первого же спутника приемник начинает скачивать кодовую информацию, содержащуюся в навигационном спутниковом сообщении. В частности, скачивается альманах. Об этом подробнее написано в разделе 3.2. Иногда приемник самостоятельно принимает решение перейти к скачиванию информации с другого, более «удобного», по его мнению, спутника, как правило, находящегося ближе всего к зениту пункта наблюдения. Вся процедура отражается на дисплее, оператор может это наблюдать, но не может вмешаться. После захвата сигналов достаточного количества спутников приемник начинает определять навигационные координаты своей антенны по измеренным кодовым псевдодальностям. Для определения всех трех координат антенны необходимо работать с четырьмя спутниками. Такой режим обозначают 3D (3 Dimensional) - трехмерный. В навигационных приемниках предусмотрена возможность работы в двумерном режиме 2D. Приемник, пока он успел захватить сигнал только трех спутников, определяет плановые координаты пункта. После захвата сигнала четвертого спутника приемник переходит в режим 3D.
Кодовые псевдодальности определяют из корреляционной обработки кодового сигнала спутника, и копии этого сигнала, генерируемой приёмником. С/А-кодовый и Р-кодовый сигналы спутника сопровождаются временными метками, генерируемые спутниковым стандартом частоты и времени - часами спутника. Аналогично кодовые сигналы приёмника сопровождаются временными метками, генерируемыми часами приёмника. В ходе корреляционной обработки осуществляют поиск максимума коэффициента корреляции двух сигналов. В результате получают относительную временную задержку двух сигналов как временной интервал между одноимёнными временными метками. Этот временной интервал, исправленный за задержки сигнала в атмосфере и еще за влияние ряда факторов и умноженный на скорость сигнала, дает псевдодальность. Ее вычисляют по формуле для случая однократного прохождения сигнала по дистанции. Отличие в том, что результат искажен поправкой часов приемника относительно часов спутника. По физической сути измерение кодовых псевдодальностей выполняют, реализуя временной метод измерений с кодовой модуляцией сигнала, проходящего дистанцию однократно. Зная из навигационного сообщения координаты спутников в момент наблюдений и используя измеренные псев до дальности, приемник определяет координаты антенны. Задача аналогична линейной пространственной засечке. Отличие в том, что в дополнение к координатам антенны получают поправку часов приемника. Ошибку измерений характеризует URA (User Range Accuracy) - точность измерения дальностей (до каждого спутника) для данного пользователя. Ошибка определения координат и поправки часов зависит также от геометрии наблюдений. Вся эта информация также выдается на дисплей. О геометрическом факторе написано в разделе 1.4.
В кодовом режиме работают все спутниковые приемники - от недорогого чисто кодового навигационного приемника, помещающегося на ладони, до самого совершенного и дорогого геодезического фазового приемника.
1.2. Фазовые измерения В геодезическом приемнике измеряют мгновенную разность фаз сигнала спутника и колебания приемника. Напомним, что фазовые измерения являются наиболее точными. За высокую точность приходится расплачиваться усилиями, потраченными на разрешение многозначности фазовых измерений. Сигнал спутника не является гармоническим, как это необходимо для фазовых измерений. Напротив, он модулирован по фазе сложным псевдошумовым кодом. Чтобы выполнить фазовые измерения, необходимо убрать кодовую модуляцию. Так и делают, используя операцию квадратирования (см. раздел 1.3). Принимаемый сигнал умножают на самого себя. В результате получается сигнал, частота которого равна удвоенной несущей частоте сигнала спутника. Это колебание усиливают и именно на нем выполняют фазовые измерения. При этом кодовую информацию не игнорируют. Ее в полной мере используют для получения навигационных координат пунктов и для приема навигационного сообщения. В спутниковых системах принято обозначать дальность до спутника буквой р. С учетом этого запишем формулу, связывающую дальность до спутника с измеренной разностью фаз. Основой служит формула для беззапросного фазового метода. Для случая спутниковых измерений она имеет вид (1):
Здесь ρ(t) - мгновенное расстояние до спутника в момент t; φ(t) - мгновенное измеренное значение разности фаз; δφ? - начальная фаза колебаний спутника; δφr - начальная фаза колебаний приемника.
Таким образом, при кодовых измерениях играет роль несинхронность показаний часов спутника и приемника, а при фазовых измерениях играет роль несинфазность колебаний опорных генераторов спутника и приемника. Аппаратурно, то есть путем организации каких-то дополнительных каналов связи между приемником и спутником, эти параметры определить невозможно. Поэтому несинхронность определяют так, как сказано в разделе 1.1, а несинфазность исключают из результатов обработки путем формирования разностей фазовых измерений, как описано в разделе 4.2.
В формуле (1) измеряемая величина разности фаз меняется со временем из-за изменения дальности до спутника. Вследствие эффекта Допплера со временем меняется значение частоты / принимаемого сигнала.
1.3. Интегральный допплер Допплеровские измерения в режиме интегрирования допплеровской частоты позволяют получать разность расстояний от определяемого пункта до двух исходных пунктов. В случае спутниковых измерений роль исходных пунктов выполняют спутники. Напомним, что в разностных наземных системах определяемый пункт получают как точку пересечения изолиний - гипербол. В случае спутниковых измерений, когда решается не плоская, а пространственная задача, речь идет не о изолиниях, но об изоповерхностях. В случае допплеровских измерений такой поверхностью является гиперболоид; местоположение пункта определяют как точку пересечения гиперболоидов. Их должно быть как минимум три, следовательно, одновременно необходимо наблюдать три пары спутников. Геометрия наблюдений в этом случае такова, что гиперболоиды пересекаются под довольно острыми (тупыми) углами. Это гораздо хуже, чем при дальномерных измерениях, когда изоповерхности - сферы могут пересекаться под углами, близкими к 90°. Тем не менее, гиперболическую засечку, раз она уже есть, используют при обработке результатов в качестве полезного дополнительного материала.
1.4. Изоповерхности, геометрический фактор Пусть с использованием дальномерного устройства необходимо определить местоположение пункта относительно исходных пунктов. Местоположение вновь определяемого пункта невозможно определить с точностью, которая выше точности измерений. В лучшем случае ошибка определения местоположения равна ошибке измерений. Сказанное можно выразить в виде формулы, связывающей ошибку mопр определения местоположения и ошибку измерения mизм (2):
mопр=(DOP)mизм
Здесь DOP - Dilution Of Precision - падение ТОЧНОСТИ, размывание ТОЧНОСТИ из-за геометрии наблюдений, геометрический фактор. Применительно к спутниковым наблюдениям - это коэффициент, определяющий, во сколько раз ошибка определения больше ошибки измерения. DOP не может быть меньше единицы, но чем он меньше, тем лучше. Величина DOP зависит от того, под какими углами пересекаются изоповерхности, то есть от геометрии наблюдений.
Существует несколько видов DOP. DOP по плановому положению называют HDOP (Horisontal DOP). DOP по высоте (вертикали) называют VDOP (Vertical DOP). Сумма квадратов этих DOP дает квадрат PDOP, то есть DOP по положению - Position DOP. Опыт работы говорит, что при высокоточных измерения PDOP не должен превышать трех единиц. При рядовых работах, например при определении координат опознаков, он не должен превышать семи. К сожалению, пока не существует инструкций, регламентирующих предельные значения такого рода параметров, да и вообще других допусков на точность и продолжительность измерений. Сейчас все делается лишь на основе собственного опыта. DOP по определению поправки часов называют TDOP (Time DOP). Сумма квадратов PDOP и TDOP дает квадрат GDOP - геометрический DOP (Geometrical DOP). Он является наиболее общей характеристикой геометрических условий наблюдений.
PDOP имеет ясный геометрический смысл. Представим пункт наблюдений, из которого направлены на четыре наблюдаемых спутника векторы единичной длины. Если соединить концы векторов, то образуется трехгранная пирамида. Объем этой пирамиды является величиной, обратной PDOP. Ясно, что чем больше объем пирамиды, тем меньше PDOP, тем точнее определяется местоположение приемника. Например, хорошо, если наблюдается спутник вблизи зенита пункта и спутники, находящиеся невысоко над горизонтом и более-менее равномерно распределенные по азимуту. На самом деле, в области приема антенны приемника находятся много спутников, порой до девяти-десяти. Приемник вычисляет и выдает на дисплей PDOP для спутников, наиболее удачно в геометрическом смысле расположенных относительно приемника.
Задать вопрос
Наши специалисты ответят на любой интересующий вопрос по услуге
Заказать услугу
Оформите заявку на сайте, мы свяжемся с вами в ближайшее время и ответим на все интересующие вопросы.