ГИС и глобальные системы позиционирования

  Как неоднократно отмечалось в предыдущих главах, ГИС оперируют координированными пространственно-временными данными. Наиболее современные определения координат основаны на использовании глобальных систем позиционирования {ГСП). Суть их работы заключается в следующем: летящие по строго заданным орбитам спутники, мгновенные координаты которых точно известны, непрерывно излучают радиосигналы, регистрируемые специальными спутниковыми приемниками на Земле. Это позволяет с помощью радиотехнических средств измерять расстояния (дальности) от приемника до спутников и определять местоположение приемника (его координаты), или находить вектор между двумя приемниками (разности координат их положения).
К основным задачам, решаемым спутниковыми системами, относят: развитие геодезических сетей, служащих основой для определения координат любых объектов; производство нивелирных работ, выполняемых вплоть до III и даже II классов точности; распространение единой высокоточной шкалы времени; исследование геодинамических процессов; мониторинг состояния окружающей среды; координатное обеспечение кадастровых, землеустроительных, сельскохозяйственных и других работ; координатное обеспечение полевых тематических съемок и инженерно-географических работ с помощью спутниковых приемников, соединенных со специализированным датчиком (эхолотом, анероидом, магнитометром, цифровой видеокамерой, аэрофотокамерой и др.); создание и обновление баз данных ГИС на основе комплекси- рования спутниковых приемников со специализированными полевыми компьютерами, цифровыми видеокамерами, электронными тахеометрами и инерциальными навигационными системами.
Интеграция ГСП и ГИС является особо важной. Рядом фирм выпускаются спутниковые приемники и программное обеспечение, специально ориентированное на сбор данных для ГИС. Наблюдатель, перемещаясь по местности с таким приемником, вводит в накопитель пространственные и атрибутивные данные. Они сохраняются в соответствующих форматах и могут быть выведены на экран в целях визуализации и контроля. Большинство GPS-приемников, предназначенных для ГИС, позволяет использовать цифровые данные из сети Интернет. Все большее внимание привлекает возможность комплексирования ГИС, ГСП и материалов дистанционного зондирования (ДЗ). Технологии ГСП и ДЗ весьма удачно дополняют друг друга.
Преимущества применения спутниковых методов позиционирования для ГИС в следующем: оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность; в отличие от традиционных геодезических методов не нужна видимость между определяемыми пунктами; глобальность — возможность получения данных в единой или во взаимосвязанных системах координат в любой точке Земли; четкая временная привязка данных; минимизация влияния человеческого фактора; цифровая форма записи; применение стандартных форматов записи; возможность классификации данных на стадии их полевого сбора; возможность сбора данных в различных картографических проекциях;              ' сбор больших объемов данных.
Применение спутниковых методов позиционирования рассматривается как один из самых значительных прорывов в ГИС индустрии, позволяющих проводить привязку, сбор и обработку данных с невиданной ранее скоростью и качеством.
ГСП и их подсистемы. К концу XX в. в мире созданы две эксплуатационные спутниковые глобальные системы позиционирования, ознаменовавшие революционные изменения в геодезических измерениях. Это американская система Global Positioning System (GPS) и российская Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). Их инженерно-техническая реализация потребовала немалых затрат и десятков лет напряженной работы.
В каждой системе выделяют по три главные подсистемы (сегменты): наземного контроля и управления (НКУ), созвездия космических аппаратов (КА) и аппаратуры пользователей (АП).
Подсистема НКУ состоит из станций слежения за КА, службы точного времени, главной станции с вычислительным центром и станций загрузки данных на борт спутников. Спутники проходят над контрольными пунктами дважды в сутки. Собранную на станциях слежения информацию об орбитах используют для прогнозирования координат спутников. После этого соответствующие данные загружают на борт каждого спутника.
Главная наземная станция GPS находится на базе ВВС Колорадо-Спрингс, другие ее наземные станции расположены на островах Вознесения, Диего-Гарсия, атолле Кваджалейн и на Гавайских островах.
НКУ ГЛОНАСС включает Центр управления системой (ЦУС), находящийся под Москвой, центральный синхронизатор (ЦС) с высокоточным стандартом частоты и времени для синхронизации системы и сеть станций слежения на территории России.
В каждой спутниковой системе подсистемы КА содержат по 24 основных работающих и по несколько резервных спутников. Спутники равномерно распределены в околоземном пространстве на высотах около 20 тыс. км. На каждом спутнике установлены солнечные батареи питания, двигатели корректировки орбит, атомные эталоны частоты—времени, аппаратура для приема и передачи радиосигналов. Благодаря атомным эталонам частоты—времени генерируемые на спутниках электромагнитные колебания обладают весьма высокой стабильностью. Это чрезвычайно важно, так как все способы измерения дальностей основаны на определениях времени прохождения электромагнитной волны от спутника до приемника.
Для измерения дальностей передатчики на всех спутниках излучают радиоволны на двух частотах, обозначаемых L1 и L2. Две

частоты нужны для того, чтобы исключить из измерений существенные временные задержки, возникающие при прохождении радиоволн через ионосферу. В GPS все спутники работают на одинаковых частотах, при этом частоте L1 соответствует длина волны 19,0 см, а частоте L2 — длина волны 24,4 см. В ГЛОНАСС значения несущих частот L1 и L2 у каждого спутника свои, а соответствующие им длины волн близки к 19 и 24 см.
Основу подсистемы аппаратуры пользователей (АП) составляет спутниковый приемник. Аппаратура спутника и спутниковый приемник образуют радиодальномер. Приемник принимает радиоволны, передаваемые спутником, и сравнивает их с электрическими колебаниями, выработанными в самом приемнике. В результате получают время распространения радиоволны, а затем и дальность от приемника до космического аппарата. Дальности определяют двумя методами: кодовым (стандартная точность) и фазовым (наиболее точные измерения). Кроме этого в приемник передается так называемое навигационное сообщение, несущее необходимую для определения координат информацию.
Спутниковые приемники достигли высокого совершенства. Созданы приемники, ориентированные как на использование только спутников одной системы, главным образом GPS, так и на одновременное использование спутников GPS и ГЛОНАСС. Точность определения координат зависит от числа видимых КА. Использование спутниковых группировок двух систем позволяет увеличить количество видимых спутников и повысить точность определений координат примерно в 1,5 раза. В городских условиях, особенно при наличии множества высотных зданий, одна система не в состоянии обеспечить непрерывные измерения в течение длительного времени. Применение комплекса ГЛОНАСС/GPS практически позволяет удвоить продолжительность производительного времени по сравнению со временем использования только спутников GPS.
Все современные спутниковые приемники являются многоканальными с числом каналов от 6 и более. Каждый канал следит за своим спутником. При измерениях проблемой является срыв сигналов на трассах распространения радиоволн из-за таких препятствий, как рельеф, покрытые листвой деревья, здания и другие сооружения. Чем больше каналов, тем легче преодолеть эти трудности и найти необходимое количество видимых спутников.
По конструктивным особенностям различают: приемники односистемные, ориентированные на прием сигналов одной системы — либо GPS, либо ГЛОНАСС; приемники двухсистемные, принимающие сигналы спутников ГЛОНАСС и GPS; приемники одночастотные, работающие только на частоте L1; приемники двухчастотные, выполняющие измерения на частотах L1 и L2; кодовые приемники, работающие только с дальномерными кодами; фазово-кодовые приемники, применяющие дальномерные коды и фазовые измерения.
Кодовые приемники легки, компактны, умещаются на ладони. В одном корпусе совмещены все блоки (антенна, приемник, источник питания). С их помощью можно определить не только пространственное положение, но и вычислить скорость и направление движения. Приемники выдают координаты в различных форматах (широты, долготы, высоты, плоские координаты в разных проекциях). Они способны накапливать и хранить результаты измерений. Пользователь снимает отсчеты по подсвечиваемому экрану, определяет расстояние, азимут, время прибытия к цели и др. На их экранах можно видеть карту маршрута и свое положение на ней. Кодовые приемники становятся основными приборами местоопределения в географических, геологических и других полевых работах.
Фазово-кодовые приемники малогабаритны, обычно оснащены отдельной антенной, имеют мощные накопители данных. Все они снабжены портами для интеграции с другой аппаратурой, их питание осуществляется в основном от аккумуляторов. Нередко клавиатура с дисплеем установлена на вспомогательном устройстве — контроллере. Контроллер пользователь держит в руке и при измерениях вводит необходимые команды и данные, например такие, как имя точки, высота антенны, атрибуты объекта местности и др.
По специализации приемники могут быть ориентированы на решение следующих задач: сбор данных для ГИС; создание геодезических сетей и выполнение топографических съемок; решение навигационных задач; обеспечение служб пожарных, милиции, скорой медицинской помощи, перевозки грузов, мобильной связи и т.п.
Кодовый метод определения дальностей. В этом случае используются специальные дальномерные коды. Они представляют собой импульсы, чередующиеся в определенной последовательности. Обычно их обозначают символами 0 и 1. Таким образом, код — это некоторая периодически повторяющаяся комбинация 0 и 1. Даль- номерный код должен иметь значительную продолжительность и случайное распределение 0 и 1. В этом случае два идентичных кода коррелируют лишь тогда, когда они полностью совмещены друг с другом. Практически коды имеют псевдослучайное распределение О и 1, так как они вырабатываются по определенным строгим закономерностям. На спутнике и в приемнике синхронно генерируют одинаковые коды. В сущности код в приемнике представляет собой копию кода спутника. Принятый в приемнике код спутника запаздывает по отношению к местному на время, пропорциональное пройденному им расстоянию. Поэтому пришедший и местный коды не коррелируют. Время распространения сигнала, следовательно, и дальность от приемника до спутника определяют задержкой местного кода до обнаружения сильной его корреляции с кодом, принятым со спутника.
Практически измеряют не дальности, а искаженные их значения — псевдодальности. Псевдодальность отличается от истинной дальности на величину, пропорциональную расхождению шкал времени на спутнике и в приемнике. Если отсчеты по всем каналам приемника, принимающим сигналы от разных спутников, проводятся одновременно, то отличия псевдодальностей от дальностей до любого спутника будут одинаковыми. Это отличие может быть исключено введением его в качестве дополнительного неизвестного в уравнения местоопределения.
Генерируют коды двух типов: высокой и стандартной точности. Первые точнее, сложнее и используются в военных целях, вторые проще и предназначены для гражданских пользователей. Код высокой точности имеет значительную продолжительность и хорошо защищен от несанкционированного вмешательства. В GPS он обозначается как P-код. Трактуется как точный (Precision) или защищенный (Protected). Длительность одного символа кода около 0,1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 30 м. Инструментальная погрешность определения псевдодальностей составляет несколько дециметров. Продолжительность кода семь суток. Каждый GPS-спутник имеет свой семисуточный фрагмент. Смена фрагментов на всех спутниках происходит еженедельно в 0 часов с субботы на воскресенье. Военный P-код хорошо защищен. Кроме того, в случае возникновения угрозы национальной безопасности США могут быть введены еще два режима защиты. Это режим избирательного доступа (Selective Availability — SA), при котором преднамеренно в целях понижения точности измерений искажают дальномерный код и данные о местонахождении спутников, и режим дополнительного шифрования (Anti Spoofing — AS), когда P-код переводится в новый Y-код.
В ГЛОНАСС, в отличие от GPS, нет режимов, которые принудительно загрубляют результаты и дополнительно шифруют высокой точности код.
Стандартной точности GPS-код обозначается как С/А-код. Интерпретируется как свободно доступный и легко распознаваемый (Clear Acquisition), или как гражданский (Civil Application). Частота повторения символов кода в десять раз меньше, чем у Р-кода. Поэтому длительность одного его символа около 1 мкс. За это время радиосигнал проходит почти 300 м. Инструментальная погрешность в псевдодальности может составить несколько метров. Продолжительность кода 1 мс. Это означает, что через 1 мс, примерно через каждые 300 км пути, код повторяется. Вследствие этого возникает проблема неоднозначности измерений, ибо неизвестно, сколько раз этот код повторился на пути от спутника до приемника. Для разрешения неоднозначности псевдодальностей нужна дополнительная телеметрическая информация, или необходимо знать координаты приемника с ошибкой до 150 км.
В GPS все спутники работают на одних и тех же частотах, но каждый имеет свой код — разделение сигналов кодовое. В ГЛОНАСС каждый спутник имеет свои частоты, но у всех одинаковые коды — разделение сигналов частотное.
В существующих ГСП коды высокой точности передаются как на частоте L1, так и на частоте L2. В силу этого частоты L1 и L2 называют несущими. Гражданские коды транслируются только на несущей частоте L1. Это означает, что измеренные с помощью гражданских кодов дальности не защищены от ионосферных искажений.
Фазовый метод определения дальностей. Фазовым методом выполняют наиболее точные измерения. Для этого используют несущие волны L1 и L2. Инструментальная погрешность метода не превышает 1 — 2 мм. Метод основан на том, что фаза синусоидального колебания изменяется пропорционально времени. По истечении каждого периода фаза колебаний меняется на один цикл. В приемнике фаза принятой со спутника волны отличается от фазы местных колебаний на величину, пропорциональную расстоянию от спутника до приемника. При фазовом методе измерений возникает сложная проблема разрешения неоднозначности (многозначности). На пути от спутника к приемнику изменению расстояния в одну длину волны соответствует изменение фазы волны в один цикл (период). Поэтому результат измерения разности фаз пришедшего и местного колебаний должен был бы состоять из некоторого целого числа циклов и дробной их части. Учитывая длину волны и высоту полета спутников, нетрудно подсчитать, что циклов должно быть около 100 000 000. В действительности измерениями фиксируется только дробная часть. Это означает, что при длине волны 19 см расстояние, каким бы оно не было большим, фиксируется только в пределах этого отрезка. Неоднозначность фазовых измерений обусловлена тем, что отсутствует возможность счета целого числа (N) уложений длины волны в измеряемом расстоянии. Нужны дополнительные усилия, чтобы получить однозначные значения дальностей. Разрешение неоднозначности фазовых измерений — одна из труднейших задач, решаемых ГСП.
Навигационное сообщение. Спутники ГСП передают в приемники навигационные сообщения, которые несут телеметрические данные, информацию о времени, метки времени, так называемые эфемериды и альманах. По меткам времени на Земле сверяются временные шкалы спутников с государственными эталонами,* и соответствующие поправки дважды в сутки закладываются на борт каждого спутника. По меткам времени синхронизируются измерения и в приемниках пользователей. Эфемериды — данные, содержащие информацию, позволяющую определить с высокой точностью текущие координаты конкретного спутника. Альманах — сборник менее точных данных обо всех спутниках — содержит сведения об их местоположении, времени восхода и захода, высотах над горизонтом и азимутах направлений на них. Альманах нужен для планирования измерений. Точные сведения, касающиеся конкретного спутника, передаются только этим спутником. Информация альманаха транслируется всеми спутниками.
Навигационное сообщение передается на несущих волнах L1 и L2. Структура распределения данных в навигационных сообщениях различна в GPS и в ГЛОНАСС. Так, в GPS метки времени повторяются каждые 6 с, все сообщение длится 12,5 мин, а в ГЛОНАСС — метки времени следуют каждые 2 с, все сообщение — 2,5 мин.
Координатное обеспечение. GPS и ГЛОНАСС работают в гринвичской пространственной прямоугольной геоцентрической системе координат. Начало координат расположено в центре масс Земли. Ось Z направлена по Условному земному полюсу (СТР — Conventional Terrestrial Pole) и соответствует некоторому фиксированному среднему положению оси вращения. Это обусловлено тем, что земная ось вращения со временем перемещается в теле Земли и относительно звезд. Условный земной полюс в России называют Международным условным началом. Ось X лежит на пересечении экватора с плоскостью гринвичского меридиана, ось У в плоскости экватора дополняет систему координат до правой.
Система координат устанавливается по высокоточным измерениям и закрепляется пунктами космической геодезической сети. Спутниками ГСП эта сеть с поверхности Земли продолжена в космическое пространство. Передача координат идет по цепочке: пункты на Земле, спутники ГСП, приемники пользователей. Точность координат и их неизменность во времени определяются прежде всего качеством геодезической сети. Чтобы повысить точность эфемерид, измерения ведутся не только со станций слежения НКУ, но и с пунктов геодезических сетей. Для этого прежде всего используют пункты Международной GPS геодинамической службы IGS (International GPS Geodynamics Service). К концу XX в. в мире имелось около 200 пунктов IGS, на которых приемниками GPS велись непрерывные измерения.
Геоцентрические координаты GPS и ГЛОНАСС установлены независимо. GPS действует в координатах WGS-84 (World Geodetic System, 1984), а ГЛОНАСС — в координатах ПЗ-90 (Параметры Земли, 1990). Каждая система закреплена координатами пунктов своей космической геодезической сети и использует свой эллипсоид. У эллипсоида WGS-84 большая полуось а - 6378 137 м, сжатие а = 1/298,257 223 563. У эллипсоида ПЗ-90 большая полуось а = 6 378 136 м, а сжатие а = 1/298,257 839 303. Поэтому координаты одних и тех же точек в пространствах указанных систем будут различаться. Их различия обычно не выходят за пределы 10 м.
Постановлением Правительства РФ от 28 июля 2000 г. для обеспечения орбитальных полетов и решения навигационных задач установлена единая геоцентрическая система координат ПЗ-90.
При необходимости прямоугольные геоцентрические координаты X, Y, Z пересчитывают в геодезические широты, долготы и высоты. Однако следует иметь в виду, что эти координаты будут получены относительно того эллипсоида, которым пользуется ГСП. Так, в случае GPS они вычисляются для земного эллипсоида WGS-84, а в случае ГЛОНАСС — для эллипсоида ПЗ-90.
Геодезические широты и долготы в свою очередь могут быть переведены в плоские прямоугольные координаты. В РФ их вычисляют на плоскости в проекции Гаусса—Крюгера для эллипсоида Красовского в системе координат 1995 г. (СК-95). Эта система упомянутым выше постановлением введена для геодезических и картографических работ России.
Геодезические высоты должны быть пересчитаны в используемые в Российской Федерации нормальные высоты. Нормальные высоты отсчитывают от квазигеоида. Для их нахождения по результатам спутникового позиционирования необходимо располагать высотами квазигеоида. Практически для определения нормальных высот измерения должны производиться как над новыми пунктами, так и над теми, для которых нормальные высоты уже известны. При обработке это поможет определить нормальные высоты всех вновь определенных пунктов.
Целостность системы — важная характеристика ее работоспособности. Целостность — способность ГСП обеспечить пользователя своевременными предупреждениями в случае, когда систему нельзя использовать. Меры по обеспечению целостности предпринимаются как на спутниках, так и на Земле. На Земле организуются службы мониторинга, основной задачей которых является оперативное определение характеристик навигационного поля, выявление сбоев и оповещение о них пользователей. В приемник поступают сигналы о пригодности или непригодности КА. Важная мера — использование избыточного числа спутников и отбраковка измерений относительно неисправных КА.
Позиционирование — это широко распространенный термин. Позиционирование — определение с помощью спутников ГСП параметров пространственно-временного состояния объектов, таких как координаты объекта наблюдения, вектор скорости его движения, разности координат двух объектов, точное время наблюдения. Частными случаями этого действия являются: местоопределе- ние — нахождение координат пункта установки антенны спутникового приемника, и определение пространственного вектора _ нахождение разностей координат двух пунктов, на которых установлены антенны спутниковых приемников. Рассмотрим некоторые способы позиционирования.
Способы местоопредёления: автономный; дифференциальный.
Способы определения пространственного вектора: статический; кинематический.
Приведенное деление в известной мере условно. Если определены разности координат между двумя пунктами и известны координаты одного из этих пунктов, то нетрудно найти координаты и другого пункта. Однако нахождение пространственного вектора может быть самостоятельной целью. К тому же по пространственным векторам строят геодезические сети, вычисляют невязки в сетях и выполняют их обработку по методу наименьших квадратов. Аналогом этому в классической геодезии являются засечки и способ триангуляции. Засечкой определяют координаты пункта. Триангуляция — способ построения геодезической сети, конечной целью которого также являются координаты пунктов.
В позиционировании важным является понятие эпохи. Эпоха — опорная точка на шкале времени, фиксированный момент начала одновременного приема спутниковыми приемниками сигналов всех отслеживаемых спутников глобальной системы позиционирования.
Автономное местоопределение. При автономном способе пользователь работает с одним приемником и определяет свое местонахождение независимо от каких-либо других измерений. Местонахождение определяется пространственной линейной засечкой.
Дальности измеряются кодовым методом. Геометрическая сущность засечки заключается в следующем. Если с некоторого пункта, положение которого в пространстве предстоит определить, измерить дальности до трех спутников и из них как из центров этими расстояниями как радиусами провести три сферы, то сферы в пространстве пересекутся в двух точках, при этом одна из этих точек будет искомым пунктом.
Таким образом, для определения трех координат (X, Y,Z) надо располагать тремя сферами. Это трехмерный случай местоопределения (3D). Однако в пространственной линейной засечке одной из сфер может быть земная сфера. Тогда будут определены только две координаты — широта и долгота на земной сфере, проходящей через пункт наблюдения. Это двухмерный случай местоопределения (2D).              *
Практически, как уже отмечалось, измеряют не дальности, а псевдодальносги. Отличие псевдодальности от истинной дальности может быть исключено после введения его в качестве дополнительного неизвестного в уравнения местоопределения. Поэтому, чтобы правильно вычислить координаты пункта по псевдодальностям, в случае 2D надо их измерять до трех, а в случае 3D — по крайней мере до четырех спутников с известными координатами.
Автономный способ местоопределения достаточно прост, однако весьма чувствителен ко всем источникам погрешностей. На точность влияют нестабильность частот используемых электромагнитных колебаний, сдвиги шкал времени на спутниках и в приемниках, погрешности в координатах спутников, аппаратурные погрешности приемников, задержки сигналов в ионосфере, тропосфере. Задержки в ионосфере в случае применения высокоточных кодов могут быть исключены измерениями на двух несущих волнах — L1 и L2. Измерения, выполненные на одной частоте, исправляются поправками. С этой целью в навигационное сообщение закладываются параметры модели ионосферы. Однако компенсация фактической задержки по параметрам модели ионосферы в лучшем случае составляет только 50 %. Некомпенсированные задержки могут искажать псевдодальности до 10 м. Поправки могут вноситься и для компенсации задержек в тропосфере. Чтобы ослабить их влияние, сигналы спутников принимают и обрабатывают лишь тогда, когда спутники находятся не ниже 10—15° над горизонтом. В этом случае задержки радиоволн в тропосфере обычно менее 10 м. Точность также снижается из-за явления многолучевости: в приемник приходят волны не только непосредственно от спутника, но и переотраженные от земной поверхности и вблизи расположенных объектов. При кодовых измерениях погрешности из-за многолучевости могут исчисляться несколькими метрами.
Важным показателем качества местоопределения является геометрический фактор (ГФ). Он характеризует потери точности, обусловленные геометрией взаимного расположения спутников и приемника. Координаты определяются с наибольшей точностью, когда спутники равномерно распределены на небосводе. Точность снижается в десятки и сотни раз, если все спутники приближаются к одной плоскости.
При однократных замерах точность определения координат при ГФ = 2 и менее оценивается предельной погрешностью порядка ±(15—30) м. Точность автономного способа повышают продолжительными (до 10— 15 мин) наблюдениями и совместной обработкой всех результатов измерений.
Дифференциальное местоопределение. В отличие от автономного этот способ требует, чтобы измерения выполнялись одновременно двумя приемниками. Один приемник располагают на пункте с известными координатами. Его называют базовой станцией, опорной станцией или контрольно-корректирующей станцией (ККС). Другой, мобильный, приемник размешается на определяемой точке.
Поскольку координаты ККС известны, их можно использовать для сравнения со вновь определяемыми координатами и находить на этой основе поправки для мобильной станции. Способ тем точнее, чем меньше расстояние от подвижного приемника до ККС.
Существует несколько способов коррекции. При кодовых измерениях поправки могут вводиться как в псевдодальности, так и в координаты. В первом случае все измеренные на базовой станции псевдодальности сравнивают с расстояниями, вычисленными по известным координатам спутника и станции, и определяют их разности. Эти разности, так называемые дифференциальные поправки, передаются на мобильную станцию, например, с помощью дополнительного цифрового радиоканала связи. Мобильная станция, получив дифференциальные поправки, исправляет свои измеренные псевдодальности и по ним вычисляет координаты. В другом способе ККС вычисляет разности между известными координатами и определенными в автономном режиме, и ими исправляются координаты на мобильной станции. В этом случае важно, чтобы оба приемника измеряли псевдодальности до одних и тех же спутников. Поправки могут вводиться и в режиме постобработки — при обработке после измерений.
Задержки в приемнике, обусловливающие отличие псевдодальностей от дальностей, исключаются таким же путем, как и в автономном режиме — по наблюдениям четырех и более спутников.
Точность дифференциального способа при кодовом методе измерения дальностей зависит от типа приемника, программного обеспечения и колеблется в диапазоне от дециметров до нескольких метров. Дифференциальные коррекции применяют и к фазовым измерениям, при этом точность повышается до 1 —5 см.
В мире существует множество базовых станций, которые передают дифференциальные поправки в стандартном международном формате RTCM SC-104. Организованы службы, передающие поправки через спутники связи и Интернет. В мире действуют различные навигационные дифференциальные подсистемы (ДПС). Основу ДПС составляет сеть ККС. На ее пунктах собирается информация со спутников и передается в центр управления для совместной обработки и нахождения дифференциальных поправок. После этого поправки загружаются на геостационарные спутники, откуда передаются пользователям.
Известна ДПС EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service), корректирующая информация с которой передается потребителям через геостационарные спутники AORE (Atlantic Ocean Region East) и IOR (Indian Ocean Region). Североамериканский континент и Северную Атлантику обслуживает ДПС WAAS (Wide Area Augmentation System), а Японию и северную часть Тихого океана — ДПС MSAS (Multifunctional Transport Satellite Augmentation System). Существуют спутниковые приемники, которые на обычную GPS-антенну способны принимать дифференциальные поправки спутников EGNOS, WAAS и MSAS и достигать метровой точности позиционирования.
Известна также глобальная система OmniSTAR, использующая распределенную по всему миру сеть станций для сбора информации со спутников GPS. Собранные данные передаются в три центра управления, откуда транслируются на борт одного из семи геостационарных спутников. Каждый спутник в пределах своей зоны обслуживания передает дифференциальные поправки пользователям, которые получают их по подписке. При одном варианте подписки пользователь получает дифференциальные поправки, оптимальные для данного местоположения приемника. Гарантируется субметровая точность. При другом, более дешевом варианте, дифференциальные поправки рассчитываются не на любую точку нахождения приемника, а только на одну, указанную пользователем. В настоящее время зона действия OmniSTAR охватывает весь мир, за исключением Гренландии, Канады и большей части России.
Статическое позиционирование. Этот способ используется при наиболее точных определениях разностей координат между двумя пунктами, на которых установлены антенны фазово-кодовых приемников. Одна из этих станций рассматривается как базовая. В этих измерениях фазовый метод является основным, а кодовый — вспомогательным. При этом устраняется сложнейшая проблема разрешения неоднозначности фазовых измерений и компенсации искажений в аппаратуре и на трассе распространения радиоволн. Решить эту проблему удается, формируя разности фазовых измерений.
Вначале формируют разность фаз сигналов от двух спутников на одном приемнике, или от одного спутника на двух приемниках. Какой из этих подходов имеет место, зависит от конструктивных решений и математического обеспечения приемников. Полученные разности называют первыми или одинарными. Затем формируют вторые или двойные разности из измерений в одну эпоху двух спутников двумя приемниками. Вторая разность — это разность двух первых разностей. Одновременно с этим образуются разности чисел N уложений длины волны в измеряемых расстояниях на начальный момент наблюдений.
Во вторых разностях исключены или в большой степени компенсированы основные задержки сигналов в аппаратуре и на трассе измерений. Вторые разности — основной материал для обработки с целью получения высокоточных значений разностей координат между станциями приемников. Уравнение каждой второй разности содержит четыре неизвестные — разности координат по осям X, Y, Z и соответствующую разность чисел N Естественно, наблюдают не два спутника, а все видимые в данную эпоху на допустимых высотах над горизонтом. Каждая новая пара спутников добавляет еще одну неизвестную разность чисел N. Поэтому нужно одни и те же спутники наблюдать продолжительное время, чтобы найти все неизвестные величины.
Наблюдениями в одну эпоху не ограничиваются. Для каждой эпохи могут быть сформированы вторые разности. Из вторых разностей, отнесенных к разным эпохам, формируют третьи разности. Уравнения третьих разностей не содержат разностей чисел N. Задача решается однозначно. Три таких уравнения позволят вычислить по каждой координатной оси разность координат антенн приемников.
В третьих разностях проблема неоднозначности не решается, а лишь снимается ценой значительной потери точности: с сантиметров до 1—3 м. Обычно задача решается последовательными приближениями. Вначале кодовым методом автономного позиционирования определяют приближенные координаты определяемых пунктов. Затем их уточняют по третьим разностям. Заканчивают процесс точной обработкой по вторым разностям.
Известно несколько разновидностей статических способов позиционирования: статика, быстрая статика, способ реокупации. В сущности, выше был описан способ статики. Точность статики зависит от продолжительности измерений. Измерения в течение 10 мин обеспечивают дециметровую точность. Обычно в статике продолжительность наблюдений на паре станций составляет около 1 ч. За это время происходит накопление измерений, фиксируемых через интервалы от 1 с до 5 мин. Благодаря этому точность определения плановых координат повышается до нескольких сантиметров. Точность определений по высоте примерно в два раза ниже. При дальнейшем увеличении длительности наблюдений точность продолжает расти. При увеличении продолжительности наблюдений с 1 до 6 ч СКП уменьшается примерно в полтора раза.
Быстрая статика — разновидность статики, когда применяют ускоренные стратегии поиска чисел неоднозначности N во вторых разностях, а продолжительность измерений уменьшают с увеличением числа наблюдаемых спутников. В способе реокупации непрерывность измерений сохраняется только на базовой станции, а на мобильной станции измерения выполняют лишь в начале и в конце часового интервала.
Нетрудно представить сеть пунктов, между которыми определены пространственные векторы. Зная точные координаты хотя бы одного пункта-этой сети, можно вычислить координаты всех остальных пунктов. Статические способы применяют главным образом для построения геодезических сетей.
Кинематическое позиционирование. Способ представляет собой определение пространственного вектора от антенны приемника опорной станции до антенны мобильного приемника. Мобильный приемник либо переносится по определяемым точкам, либо перемешается на подвижной платформе: катере, автомобиле, самолете. Поэтому такой способ позиционирования иногда называют динамическим. Измерения складываются из двух этапов — инициализации и собственно измерений.
Инициализация — разрешение неоднозначности фазовых измерений на известном пространственном векторе. С этой целью на известном пространственном векторе (базисе) наблюдают не менее четырех спутников, формируют по крайней мере три вторые разности и вычисляют содержащиеся в них разности чисел N. Разработано несколько способов инициализации: положение пространственного вектора известно точнее 5 см; приемники устанавливают на его концах и в течение нескольких минут ведут измерения; опорный приемник устанавливают на пункте с известными координатами, а мобильный — на первом из определяемых пунктов; неизвестный базовый вектор определяют статическим позиционированием; применяют специальные стратегии поиска чисел N., и неоднозначность разрешают за короткое время способом, получившим название «на лету» (OTF — On The Fly).
После инициализации приемник перемещают на следующий определяемый пункт и находят разности координат между ним и опорным пунктом. Зная координаты опорного пункта, вычисляют координаты этого пункта и т.д. Измерения ведут непрерывно и обязательно по тем же спутникам, по которым выполнена инициализация. Желательно, чтобы число наблюдаемых спутников было не менее пяти. Точность определения координат составляет 3—5 см.
Различают несколько разновидностей кинематики. Способ «непрерывной кинематики» позволяет «цифровать» контуры на местности путем перемещения приемника, который через заданные интервалы времени фиксирует свои координаты. Способ «стой-иди» предусматривает возможность остановиться на точке, выполнить более длительные измерения, а затем продолжить движение. В упомянутых способах полевые наблюдения и обработка разделены во времени — применяется режим постобработки. Когда имеется цифровой радиоканал и данные с базового приемника можно передать на мобильный, тогда применяют так называемый способ «кинематики реального времени» (RTK — Real Time Kinematics). В этом режиме опорный приемник передает сформированные им первые разности фазовых измерений на мобильный приемник, который формирует вторые и третьи разности, а затем, зная координаты опорной станции, вычисляет собственные координаты.
Кинематическое позиционирование в режиме RTK используется во многих работах, например в целях построения профилей местности, для выполнения тематических и топографических съемок, для привязки материалов дистанционного зондирования, когда спутниковые приемники, обязательно двухчастотные, устанавливают на самолетах.
Комплексирование спутниковых приемников с другими устройствами. Удобным полевым инструментом для быстрого создания и актуализации пространственных данных является программно-аппаратный комплекс « Спутниковый приемник—Arc Pad — Cassiopeia». Он позволяет в полевых условиях дешифрировать аэроснимки, исправлять карты, собирать данные для ГИС. Составной частью этого комплекса является карманный полевой компьютер Casio Е-125 Cassiopeia с операционной системой Windows СЕ. Посредством мобильной связи он может быть подключен к сети Интернет. Программный пакет ArcPad фирмы ESRI работает под операционными системами Windows СЕ, 95/98, 2000, NT с векторными данными в формате SHP и растровыми изображениями в форматах MrSID, JPEG, BMP, CADRG. Формы и словари создаются на этапе подготовки данных и позволяют существенно сократить время ввода атрибутивной информации в поле.
Перед работой в поле необходимо ввести базовые данные — заранее трансформированные и привязанные цифровые аэроснимки, векторные или растровые карты или планы. В процессе съемки на экране компьютера на фоне аэроснимка, карты или плана отображается курсор, визуализирующий текущее местоположение спутникового приемника. Нажатием пиктограммы активируется соответствующий слой. В случае картографирования точечного объекта местности специальной ручкой касаются экрана в точке расположения курсора и заносят в появившееся окно атрибуты созданного в компьютере объекта. Если это линейный или полигональный объект, то, двигаясь с комплектом по контуру объекта, ручку ведут по экрану, следуя за курсором. Спутниковые приемники в комплекте с ArcPad—Cassiopeia позволяют проводить полевые работы в широком диапазоне точностей в зависимости от способа позиционирования — от автономного до кинематики реального времени.
Перспективным является совместное использование ГИС, спутниковых приемников и цифровых видеокамер. В результате получают привязанные к местности цифровые изображения. Такой комплекс удобен для быстрого сбора данных, например, для городского планирования. На первом этапе работ создаются привязанные к местности цифровые изображения. На втором этапе дешифрированием изображений извлекается необходимая атрибутивная информация. На последующих этапах используются ГИС-возможно- сти для составления соответствующих карт и выработки определенных стратегий поведения.
Современные технологии полевых съемок основаны на интегрировании спутниковых приемников и электронных тахеометров. Позиционирование выполняется в реальном времени в режиме RTK.
Координаты и высоты точек местности определяются с точностью 3—5 см. Приемник базовой станции устанавливается на любом геодезическом пункте. Передающий радиомодем транслирует данные в мобильный приемник. Радиус действия радиомодема зависит от множества факторов и может достигать 15 км и более. Мобильный приемник переносят в рюкзаке. Его антенну закрепляют на вехе. В процессе съемки веха с антенной, наподобие традиционной геодезической рейки, устанавливается на всех снимаемых пикетах. Приемник может быть одно- или двухчастотным. Двухчастотные приемники имеют более высокую стоимость, но их применение предпочтительнее. Использование двухчастотных приемников позволяет значительно быстрее выполнить задачу разрешения неоднозначности фазовых измерений (инициализацию). Целесообразно применять приемники с технологией подавления отражений (многолучевости). По ходу съемки определяются не только координаты объектов, но и их атрибуты. Тахеометры применяются для съемки тех участков, где препятствия в виде растительности, сооружений и других объектов не позволяют использовать спутниковые приемники. Все это дает возможность создавать и визуализировать электронные карты непосредственно в полевых условиях. Собранные данные также могут использоваться для пополнения или обновления соответствующих баз данных ГИС.
Комплексирование ГСП с ИНС. Определенные трудности возникают при сборе информации в движении по частично закрытой для радиоволн L1 и L2 местности. Например, при въезде в тоннель сигналы спутников теряются. Имеются еще по крайней мере две причины, оказывающие влияние на качество сбора информации. Так, когда изменяется состав созвездий наблюдаемых спутников, происходит скачкообразное изменение геометрического фактора, и вслед за этим — скачкообразное изменение точности результатов. Другой причиной является то, что при работе ГСП максимальная частота фиксации измерений — около секунды. При скорости передвижения приемника ~30—40 км/ч это приводит к неопределенности местоположения ~10 м.
Выход из этой ситуации видят в соединении ГСП с инерциальной навигационной системой (ИНС) — автономной системой, измеряющей в пути ускорения по каждой координате и по ним определяющей скорости движения и приращения координат на заданном интервале времени. Примечательно, что две системы — ИНС и ГСП — подвержены принципиально различным по характеру действия источникам ошибок. На точность ГСП влияют помехи в радиоканалах передачи информации, геометрический фактор, внешние условия. На работу ИНС эти источники погрешностей не оказывают влияния. Кроме того, погрешности ИНС носят длиннопериодический характер и со временем изменяются медленно, поэтому ее подключение на короткое время не снижает точности измерений. В ИНС передача данных происходит с частотой 50 Гц, что позволяет сглаживать скачки из-за смены состава наблюдаемых КА и компенсировать перерывы между фиксациями измерений. Идея создания нового измерительного комплекса путем соединения двух принципиально различных систем — ГСП и ИНС — находится в поле зрения многих исследователей, ведущих соответствующие конструкторские работы. Основными в этом комплексе являются ГСП, а ИНС как бы подстраховывают их работу, выполняя короткое время функцию поддержания без практической потери точности непрерывности измерений.
Перспективы дальнейшего развития ГСП. В перспективе в GPS и в ГЛОНАСС все дальномерные коды будут передаваться на обеих частотах — L1 и L2, что повысит точность измерений на гражданском коде. Для повышения надежности позиционирования и безопасности полетов в авиации будет введена третья частота L5 с длиной волны 25,5 см, в результате чего появятся новые возможности разрешения неоднозначности фазовых измерений.
В 1999 г. Европейский парламент поддержал решение Европейского космического агентства (ESA) о создании нового поколения системы спутникового позиционирования. Система получила название Galileo и будет включать 30 спутников (3 — в резерве), расположенных на высоте 23 200 км. С учетом спутников GPS и ГЛОНАСС в распоряжении пользователей окажется около восьми десятков космических аппаратов, покрывающих весь земной шар. Планируется, что Galileo начнет передавать первые сигналы в 2005 г., а через три года вся система будет готова к работе. В 2010 г. годовой мировой рынок для Galileo достигнет предположительно 40 млрд долл.
Контрольные вопросы Перечислите преимущества применения спутниковых методов позиционирования в целях ГИС. Какие функции выполняют подсистемы (сегменты) ГСП? Как классифицируют приемники? В чем заключается проблема неоднозначности фазовых измерений? Какие бывают и с какой целью используются дальномерные коды? Для чего предназначено и что содержит навигационное сообщение? Для каких целей предназначены альманах и эфемериды? Какие координаты определяют с помощью ГСП, и какова ее роль в космической геодезической сети? Что понимается под целостностью ГСП? В чем суть автономного способа месгоопределения? В чем суть пространственной линейной засечки? Какие искажения претерпевает сигнал на трассе КА—АП? Почему измерения проводят на двух волнах — L1 и L2? В каких пределах изменяются задержки радиосигналов в атмосфере? Почему КА не наблюдают ниже 10* над горизонтом? В чем сущность явления многолучевости? - Что характеризует геометрический фактор? В чем суть дифференциального способа? Какие существуют разновидности дифференциального способа? В чем суть статического способа позиционирования? Как образуются первые, вторые и третьи разности? В чем различия решений по третьим и вторым разностям? В чем различия способов статики, быстрой статики и способа рео- купации? В чем различия определений в статике и кинематике? В чем различия способов непрерывной кинематики, «стой-ици» и RTK? Почему выгодно комбинировать И НС с ГСП? Что вы знаете о ГСП Galileo? 
<< | >>
Источник: Е. Г. Капралов,  А. В. Кошкарев, В. С. Тикунов. Геоинформатика: Учеб, для студ. вузов. 2005

Еще по теме ГИС и глобальные системы позиционирования:

  1. Глава 5 ПРОЕКТИРОВАНИЕ ГИС
  2. РПЦ: позиционирование в политической жизни России
  3. Глава 2 ФУНКЦИОНАЛЬНЫЕ возможности гис
  4. Дискурсивное позиционирование мусульманской принадлежности в нарративах Ислам и конструирование прошлого
  5. ГИС и Интернет
  6. РОССИЙСКАЯ НАЦИОНАЛЬНАЯ ИДЕНТИЧНОСТЬ В ЗЕРКАЛЕ РЕКЛАМЫ: СТРАТЕГИИ РЕКЛАМНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ Глухов А.П.
  7. Глава 3 ГИС КАК ОСНОВА ИНТЕГРАЦИИПРОСТРАНСТВЕННЫХ ДАННЫХ И ТЕХНОЛОГИЙ
  8. В глобальном мире - глобальные проблемы
  9. Выбор программного обеспечения ГИС
  10. Нейронные сети и ГИС
  11. ГИС идистанционное зондирование
  12. Разработка системного проекта ГИС
  13. Глобальное управлени
  14. На пути к глобальному: часть 1
  15. Управление глобальными конфликтами
  16. На пути к глобальному: часть 2
  17. ЛЕКЦИЯ 13. ГЛОБАЛЬНЫЕ ПРОБЛЕМЫ ЧЕЛОВЕЧЕСТВА.