CC BY
51
- © Б.А. Татаринович, А.А. Тарин, 2014
УДК 004.3:655.267.55
Б.А. Татаринович, А.А. Тарин
ИНФОРМАЦИОННЫЕ ТЕХНОЛОГИИ ОБРАБОТКИ ФАЙЛОВ ПРОТОКОЛОВ GPS
Рассмотрены пути повышения точности GPS показаний: использование более совершенных типов модуляции с целью повышения помехоустойчивости; увеличение количества несущих частот с навигационными сигналами, доступными для приема гражданскими пользователями; увеличение количества спутников в орбитальной группировке; замена частотного разделения каналов на кодовое в системе ГЛО-НАСС; повышение мощности излучаемых навигационными спутниками сигналов; повышение точности координатно-временного обеспечения спутниковых группировок систем; согласованное развитие аппаратуры потребителей с целью обеспечения возможности приема всех доступных и разворачиваемых ГНСС. Рассмотрены источники погрешностей: уходы шкал времени спутников, эфемериды, регулярная ионосфера, регулярная тропосфера, шум приемника, многолучевость. Оценена среднеквадратическая погрешность при различных дальностях от базовой станции. Сравнены два варианта работы с дифференциальными поправками: а) локальная дифференциальная коррекция (сообщение 1 - GPS-приемник получает поправки от ближайшей базовой станции; б) широкозонная дифференциальная коррекция -GPS-приемник получает поправки в виде площадных параметров коррекции (FKP), рассчитанных на основе данных измерений от нескольких (трех и более) базовых станций. Недорогие навигационные GPS-приемники не обладают возможностью работы с FKP. В связи с этим на программное обеспечение коммуникатора ложится дополнительная задача преобразования такой поправки в стандартное сообщение 1 формата RTCM. Широкозонная дифференциальная коррекция позволяет работать в дифференциальном режиме на значительном удалении от отдельных базовых станций, но в пределах многоугольника, вершинами которого являются эти станции. Ключевые слова: точность GPS показаний, типы модуляции, несущие частоты, частотное разделение каналов, источники погрешностей, уходы шкал времени спутников, эфемериды, регулярная ионосфера, регулярная тропосфера, многолучевость., дифференциальные поправки, локальная дифференциальная коррекция, широкозонная дифференциальная коррекция, площадные параметры коррекции (FKP).
Пути повышения точности GPS показаний может состоять:
• использование более совершенных типов модуляции с целью повышения помехоустойчивости;
• увеличение количества несущих частот с навигационными сигналами, доступными для приема гражданскими пользователями;
• увеличение количества спутников в орбитальной группировке;
• замена частотного разделения каналов на кодовое в системе ГЛОНАСС;
• повышение мощности излучаемых навигационными спутниками сигналов;
• повышение точности координат-но-временного обеспечения спутниковых группировок систем;
• согласованное развитие аппаратуры потребителей с целью обеспечения возможности приема всех доступных и разворачиваемых ГНСС;
Применимость точностных режимов GPS :
• субметровая точность (0,5-1 м) -точная навигация, кадастр;
• дециметровая точность (1050 см) - высокоточная навигация, землеустроительные работы, геоинформатика, топография, сельхозработы;
• сантиметровая точность (1-5 см) -точные геодезические, кадастровые и землеустроительные работы;
• миллиметровая точность (3-5 мм) -поддержание систем координат, создание эталонных пунктов, задачи высокоточного мониторинга, геодинамика, научные приложения.
Наибольший интерес представляет анализ эфемеридно-временных, ионосферных, тропосферных, многолучевых медленноменяющихся и флуктуа-ционных шумовых погрешностей кодовых и фазовых ГНСС-наблюдений.
Эфемеридные погрешности обусловлены неточностью предсказания местоположения навигационного спутника на момент излучения сигнала. При использовании бортовых эфемерид ГНСС, формируемых наземным сегментом управления и закладываемых на борт спутника обычно раз в несколько часов, эти погрешности могут быть в пределах от единиц до десятков метров. Причиной этого является как несовершенство моделей движения, используемых для предсказания орбит, так и постоянное влияние на спутник различных сил гравитационного и негравитационного характера.
Временные погрешности обусловлены тем что, несмотря на то, что навигационные спутники оборудованы высокостабильными рубидиевыми и цезиевыми стандартами частоты и времени, показания бортовых часов отличаются от эталона ГНСС и содержат систематическую и флукту-ационную составляющие. Для учета медленноменяющейся составляющей в составе информации, передаваемой спутником, содержатся специальные поправки, формируемые наземным сегментом управления совместно с параметрами движения спутников. Точность данных поправок близка к точности формируемой эфемериды.
Ионосферная задержка, обусловленная воздействием ионизированных
Рис. 1
слоев атмосферы (объясняямая неоднородностью распределения электронов в атмосфере), является частотно-зависимой и для кодовых и фазовых наблюдений на одной несущей частоте имеет противоположный знак. Максимальная величина ионосферной задержки составляет в зените 5-30 м, а вблизи горизонта 50 м и более. (Ночная величина задержки примерно в 5-10 раз меньше, также задержка изменяется в течение года и в течение 11-летнего цикла солнечной активности).
Фазовая неоднозначность обусловлена самим процессом измерения разности фаз и, может быть целочисленной функцией времени в случае нарушения счисления целых циклов. Это может быть обусловлено прерыванием слежения за фазой по разным причинам: временное затенение спутника каким-либо препятствием, низкое отношение сигнал/шум, сильная много-лучевость, высокая скорость движения приемника, сбои процессора и про-
Источники погрешностей Среднеквадратическая погрешность, м при различных дальностях от БС
без дифференциального метода 0 км 180 км 1000 км
Уходы шкал времени спутников 1,0 0 0,01 0,05
Эфемериды 2-20 0 0,05-0,3 0,2-0,75
Регулярная ионосфера 5,0-9,0 0 2,2 4,9
Регулярная тропосфера 2,0 0 0,8 1,2
Шум приемника 1,0 1,1 1,1 1,1
Многолучевость 1,0 1,1-1,2 1,1-1,2 1,1-1,2
Другие источники 0,1 0,1 0,1 0,1
Итого: суммарная погрешность, м 12,1-34,1 2,3-2,4 5,36-5,85 8,65-9,3
граммного обеспечения. Величины фазовых скачков колеблются от нескольких единиц и десятков циклов.
Можно видеть, что при значительном удалении потребителя от базовой станции основной вклад вносят погрешности ионосферы, связанные с неоднородностью состава атмосферы на направлениях ее пересечения сигналом от одного и того же спутника к БС и потребителю бороться с которыми чрезвычайно тяжело. Поэтому наиболее приемлимое использование таких методов местоопределений следует рассматривать на расстояниях до 100 км.
При незначительном удалении потребителя от базовой станции основной вклад вносят шумовые и многолучевые погрешности. Решением вопроса может стать подход фильтрации однозначных кодовых наблюдений с помощью неоднозначных фазовых наблюдений. В сочетании с дифференциальным методом определения местоположения, можно ожидать, что моделирование атмосферных задержек позволит достичь субметровой-дециметровой точности.
Несмотря на ряд недостатков, традиционный дифференциальный метод получил значительное распространение во всем мире, что обуслов-
лено простотой его реализации. Но для достижения достаточной точности определения местоположения необходимо развертывание достаточно густой сети БС, как показано выше в несколько десятков километров. Зарубежные системы высокоточного позиционирования предполагают максимальное удаление потребителя от БС до 30-50 км, координаты которых периодически уточняются с точностью около 3-5 мм. Так сеть поддержки геодезических работ Германии содержит 250 базовых станций.
Повышение точности учета эфеме-ридных и атмосферных погрешностей возможно с применением различных способов реализаций сетевого дифференциального метода. Как уже отмечалось выше, в этом случае дифференциальные поправки формируются по наблюдениям не одной базовой станции, а при совместной обработке наблюдений группы разнесенных в пространстве базовых станций, что позволяет более эффективно учитывать корреляционные свойства погрешностей (рис. 2).
Известно два возможных подхода к формированию сетевых дифференциальных поправок
Первый, получивший в литературе название широкозонного или WAD
Рис. 2
(от. англ.- Wide Area Differential), используется в таких системах как WAAS (США), EGNOS (Европейский Союз) и др. и предполагает формирование пространственной сетки поправок позволяющих выполнять раздельную оценку эфемеридно-временных погрешностей навигационных спутников и пространственного распределения атмосферных погрешностей. Но выполнение таких оценок требует привлечения данных большого количества БС.
Второй подход, получивший название мультереференсного, MRD (от. англ. - Multi Reference Differential) или VBS (от. англ. - Virtual Base Station) реализованный в таких системах как
OmniStar/SeaStar, является более простым в реализации и предусматривает формирование коррекций с учетом конкретного местоположения пользователя (т.н. локальная поправка), при котором выполняется взвешивание дифференциальных поправок отдельных станций, чтобы максимально уменьшить влияние наиболее значимых погрешностей.
Сетевые системы дифференциального определения местоположения:
• EGNOS - Европейский союз, погрешность 1-2 м.
• WAAS - США, погрешность ~1 м.
• NDGPS HP - США, погрешность 10-15 см.
Фазовые наблюдения (несущая L2)
Рис. 4
• OmniStar/SeaStar - Нидерланды, погрешность 10 см - 1 м.
• Trimble H-Star - США, погрешность ~30 см.
Задача достижения дециметровой точности
Определения местоположения, как для одночастотных, так и двухча-стотных ГНСС-приемников, в случае разреженных сетей :
• создании новых эффективных мультиреференсных алгоритмов формирования дифференциальных коррекций;
• выполнении всестороннего контроля качества наблюдений сети БС и пользователей;
• эффективном сглаживании кодовых наблюдений с помощью фазовых наблюдений.
Алгоритм сглаживания кодовых наблюдений
1. Предполагается, что фазовые наблюдения не содержат скачков, обусловленных срывами слежения.
2. Замена процедуры фильтрации операцией подбора уровня неоднозначных фазовых наблюдений относительно кодовых наблюдений.
3. Оценка изменения ионосферной задержки путем использования измерений на двух частотах и сплайн-аппроксимации зашумленной кодово-фазовой линейной комбинации псевдодальностей (рис. 4).
Представлен алгоритм (на рис. 5) сглаживания кодовых наблюдений с помощью фазовых наблюдений (одно-частотный вариант). Усовершенствование известных и создании новых
методов и аппаратно-программных средств достижения дециметровой точности дифференциальной спутниковой навигации и точного позиционирования в разреженных сетях с возможностью поддержки как двух-частотных, так и прежде всего одно-частотных ГНСС-приемников.
Дифференциальный режим работы
В качестве источника корректирующих поправок можно использовать информацию от перманентных базовых GPS-станций. Сформированная этими станциями корректирующая информация размещается на NTRIP кастере. Доступ к этим данным может быть осуществлен с помощью мобильного коммуникатора через GPRS канал. Навигационный приемник связывается с коммуникатором через Bluetooth или COM-порт и получает от него дифференциальные поправки в формате RTCM. Вычисленные координаты и вспомогательная информация передается из приемника в коммуникатор в формате NMEA. Установленное в коммуникаторе специализированное ПО отвечает за организацию выше-
перечисленных операций. Схематически на рис. 6 показан принцип работы навигационного приемника в таком режиме.
Два варианта работы с дифференциальными поправками:
а) Локальная дифференциальная коррекция (сообщение 1). В данном случае вРБ-приемник получает поправки от ближайшей базовой станции.
б) Широкозонная дифференциальная коррекция (сообщение 59). В данном случае вРБ-приемник получает поправки в виде площадных параметров коррекции (РКР), рассчитанных на основе данных измерений от нескольких (трех и более) базовых станций. Недорогие навигационные вРБ-приемники не обладают возможностью работы с РКР. В связи с этим на программное обеспечение коммуникатора ложится дополнительная задача преобразования такой поправки в стандартное сообщение 1 формата НТСМ. Широкозонная дифференциальная коррекция позволяет работать в дифференциальном режиме на значительном удалении от отдельных базовых станций, но в пределах много-
угольника, вершинами которого являются эти станции.
Ntrip-Сетевая передача RTCM-поправок посредством Internet-протокола - это новый формат для передачи данных в формате RTCM посредством Internet. Ntrip-сервер вычисляет поправки и передает их с помощью сети интернет на Ntrip-маршрутизатор, где они становятся доступными пользователю. На базе технологии беспроводного Internet была создана система, состоящая из 3-х компонентов: Ntrip-маршрутизатора (NtripCaster), системы сбора информации (Ntrip-сервер), и получателя информации (Ntrip-клиент). Данные компоненты выполняют задачи по одновременному вычислению и передаче данных пользователям. Связь между отдельными компонентами осуществляется посредством формата Ntrip (TCP-протокол на основе HTTP). Ntrip может использоваться для распространения данных в любом формате, например, в форматах стандарта RTCM V2.1/2.2/2.3/3.0 или собственных форматах Leica, CMR и т.д.
Мобильный приемник обращается к IP-порту на сервер и может запросить данные от так называемой опорной точки (mount point) или запросить список опорных точек. Например, опорные точки могут являться источниками RTK и DGPS данных от различных базовых станций, источником сетевых данных в формате RTCM V3.0 и сетевых поправок, источником скорректированных RTK-данных. Если запрашиваемый опорный пункт доступен, данные из этого источника передаются на мобильный приемник. В настоящий момент рекомендуется использовать стандарт GPRS.В настоящее время все известные производители GPS-оборудования сотрудничают с комитетом RTCM для стандартизации Ntrip-формата и его применения в своей аппаратуре.
Формат NMEA. National Marine Electronics Association (NMEA) специальный протокол. Интерфейс обмена данными большинства портативных GPS-приемников реализован в соответствии со спецификацией NMEA. Большинство навигационных программ, которые обеспечивают отображение данных в реальном времени, поддерживают и «понимают» NMEA-протокол. Все NMEA-сообщения состоят из последовательного набора данных, разделенных запятыми. Каждое отдельное сообщение не зависит от других и является полностью «завершенным». NMEA-сообщение включает заголовок, набор данных, представленных ASCII-символами, и поле для проверки достоверности переданной информации. Заголовок стандартных NMEA-сообщений состоит из 5 символов, из которых два первых определяют тип сообщения, а оставшиеся три - его название. Например, все GPS NMEA-сообщения имеют префикс «GP».
Каждое NMEA-сообщение начинается с «$», заканчивается «\n» («перевод строки») и не может быть длиннее 80-ти символов. Все данные содержатся в одной строке и отделены друг от друга запятыми. Информация представлена в виде ASCII текста и не требует специального декодирования. Если данные не умещаются в выделенные 80 символов, то они «разбиваются» на несколько NMEA-сообщений.
Такой формат позволяет не ограничивать точность и количество символов в отдельных полях данных. Например, дробная часть значения координат может быть представлена 3 или 4 знаками после запятой, но это никак не влиянт на работу программного обеспечения, которое выделяет нужные данные из сообщения по номеру поля. В конце каждого NMEA-сообщения содержится поле, отделенное от данных символом «*».
КОРОТКО ОБ АВТОРАХ_
Татаринович Борис Александрович - кандидат технических наук, доцент, Белгородская государственная сельскохозяйственная академия им. В.Я. Горина, e-mail: [email protected].
Тарин А.А. - кандидат технических наук, доцент,
Харьковский национальный технический университет сельского хозяйства им. Петра Василенко, e-mail: [email protected].
UDC 004.3:655.267.55
DEGREE OF TECTONIC BREAK OF EARTH CRUST ASSESSMENT ON THE DEPTH BY DATA OF AERIAL AND SATELLITE IMAGES DECIPHERMENT
Tatarinovich B.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Belgorod State Agricultural Academy named after V. Gorin, e-mail: [email protected],
Tarin A.A., Candidate of Engineering Sciences, Assistant Professor, Kharkiv Petro Vasylenko National Technical University of Agriculture, Ukraine, e-mail: [email protected].
Examined ways to improve the accuracy of GPS readings: the use of more advanced modulation schemes to improve noise immunity; increasing the number of carrier frequencies with the navigation signals available for the reception of civil users; increase the number of satellites in the orbital grouping; replacement frequency separation of channels on the code in the GLONASS system; increased power level navigational satellite signals; improving the accuracy of coordinate and time support satellite constellations systems; coordinated development of user's equipment to ensure the possibility of taking all available and expandable GNSS.
Discusses the sources of errors: the goings timeline satellites, ephemeris, regular ionosphere, regular troposphere, the noise of the receiver, megalocephaly.
Estimated standard error at different distances from the base station.
Compares two options for dealing with differential amendments :
a) Local differential correction (message 1). In this case, the GPS receiver receives the amendments from the nearest base station .
b) Wide gap differential correction. In this case, the GPS receiver receives the amendments in the form of areal correction options (FKP), calculated on the basis of measurement data from multiple (three or more) base stations. Budget navigation GPS receivers do not have the opportunity to work with FKP. In connection with this software your device must perform additional task of converting such amendments to the standard message 1 format RTCM. The wide gap differential correction allows you to work in differential mode at a considerable distance from the individual base stations, but within the polygon vertices which are these stations.
Keywords: GPS accuracy of indications, modulation types, carrier frequency, frequency division multiplexing, sources of error, the time scales satellites, ephemeris, regular ionosphere, regular troposphere, megalocephaly., differential corrections, local differential correction, a wide gap differential correction, area adjustment parameters
(FKP).
