CC BY
49
УДК 629.783:551.24 А.Н. Клепиков СГГ А, Новосибирск
СРАВНИТЕЛЬНЫЙ АНАЛИЗ КОМПОНЕНТОВ ПРОСТРАНСТВЕННЫХ ВЕКТОРОВ, ПОЛУЧЕННЫХ ПО РЕЗУЛЬТАТАМ ОБРАБОТКИ СЕАНСОВ РАЗЛИЧНОЙ ПРОДОЛЖИТЕЛЬНОСТИ
Уже первые опыты координатных определений с помощью спутниковых приемников (1982 - 84 гг.) показали, что появилась новая измерительная система, способная превзойти по точности традиционные первоклассные геодезические построения. За последние время GPS-технологии из-за своих очевидных преимуществ (всепогодности, точности, производительности и других) получили бурное и широкое развитие.
Перечисленные преимущества (особенно точность) привлекательны для построения высокоточных опорных сетей. К сожалению, разрозненные отечественные источники не дают всех ответов на вопросы, возникающие в подобных проектах, что вынуждает исполнителей заниматься поиском ответов в зарубежной литературе и собственном опыте.
Например, немаловажным вопросом, как с точки зрения получения качественного результата, так и с экономической, при создании относительно небольших (по протяженности и длине пространственных векторов) высокоточных локальных сетей, является продолжительность сеанса наблюдений.
Для оптимального решения данного вопроса автор обратился к теории ошибок применительно для GPS-технологий.
Все наблюдения псевдодальностей и фазы несущей GPS можно моделировать как [1]:
ObslA = р1А + Ь1 + ЬА + blA + vlA, (1)
где р1А - геометрическое расстояние от стации А до спутника /;
Ь - смещения, зависящие от приемника;
ЬА - смещения, зависящие от спутника;
blA - смещения, зависящие от окружающей среды;
vA - шум наблюдений.
Интересующие нас координаты содержит только геометрическое расстояние. Все остальные члены уравнения (1) искажают измеряемый параметр.
Коротко рассмотрим эти ошибки и способы их исключения.
Смещения, зависящие от спутника и приемника:
Ошибки аппаратуры, исключаемые в результате обработки разностных измерений: ошибки часов спутника и приемника, запаздывания в
электрических цепях спутника и приемника.
Ошибка положения фазового центра антенны спутника и приемника моделируется по известным параметрам этих антенн, полученных в результате калибровки. Хотя геометрия расположения элементов антенн известна достаточно хорошо, изменения в ориентировки спутника дают дополнительные погрешности в расстояние (обычно единицы миллиметров). Подобный эффект дает «наматывание фазы», возникающее из-за изменения взаимной ориентировки системы спутника и приемника [2, 3].
Уменьшение влияния шума приборов возможно осуществить используя наиболее современные приемники.
Потеря счета циклов - это внезапный скачок целого числа циклов в наблюдении фазы несущей, вызванный потерей захвата петлей (цепью) слежения фазы приемника. Потеря может быть из-за проблем со слежением в инерциальном приемнике (приемник не успевает за изменением фазы) или из-за перерыва в поступлении сигналов на антенну, вызванного, к примеру, временной блокировкой сигналов. Потеря захвата может быть короче, чем временной интервал между соседними эпохами сбора данных или такой как временной интервал между многими эпохами, в случае которого может применяться термин "разрыв (брешь) в данных". Исправление потери циклов включает выявление потери, оценку точного числа циклов на частотах L1 или L2, которое образует его,
и действительное исправление измерений фазовой последовательности оценкой этого целого. Точное позиционирование требует выявлять и полностью исправлять потери циклов. Выявление потерь цикла и его восстановление все еще является сложной задачей, даже после многих лет научного поиска [4]. Но даже на современной аппаратуре возможно получение данных, в которых скрыто присутствует эта проблема. Не выявленные срывы циклов ведут к грубым ошибкам, сравнимым с длиной волны, в результатах обработки GPS-измерений. Большинство подходов выявления и исправления срывов циклов включают формирование из доступных параметров наблюдений линейных комбинаций, чувствительных к потерям циклов. Исследователи разработали алгоритмы для обнаружения, определения и восстановления этих потерь циклов путем подбора функций к линейным комбинациям и путем наблюдения расхождений между функциями и комбинациями данных. Но вплоть до настоящего времени абсолютно надежных алгоритмов выявления потерь циклов не существует [4].
Влияния, зависящие от внешней среды:
Использование двухчастотного приёмника, конечно же, наилучший метод, гарантирующий, что 99% ионосферной задержки будет автоматически использоваться по всем спутникам. Тропосферную задержку можно обычно свести до удовлетворительного результата просто путём использования климатической модели тропосферы [5] и применения её во многих функциях от зенитных расстояний для перехода к наклонным задержкам для высоты отдельного спутника GPS. Только в самых точных измерениях нужны измерения давления, температуры и влажности и включать их в уравнение тропосферной задержки.
Ошибка. из-за многопутности в GPS-приемниках должна рассматриваться как соответствующий вклад в измерение фазы или псевдодальности от отраженных сигналов. Одним из главных компромиссов в проектировании всенаправленных антенн GPS-приемников является поддержание сравнительно высокого усиления на малых высотах. Многопутность трудно охарактеризовать в целом, поскольку ее амплитуда и фаза зависят от многих параметров, хотя часть из них достаточно постоянна. Это дает возможность наблюдать многопутность, повторяющуюся ежедневно, в соответствии с повторяемостью орбит СРНС. В общем, любой объект около антенны GPS-приемника, поверхность которого является гладкой для радиоволн с длиной 19 или 24 см, будет действовать как источник многопутности. Это и здания, и деревья, и сама земля. Земная поверхность является сильным источником многопутности, и, если земля рассматривается как некоторая уровенная поверхность, то разность между фазами сигнала спутника и отраженного сигнала A0-2hasinh , где ha-высота антенны в длинах волн, а h - угол высоты спутника. Одним из лучших признаков присутствия многопутности является амплитуда принятых сигналов, которая будет колебаться при наличии многопутности. Существовавшие до сих пор версии формата RINEX (Receiver INdependent EXchange) обмена спутниковыми данными не позволяли записывать амплитуду с достаточным числом значащих цифр, иначе было бы возможным выявлять и корректировать сигналы, пораженные многопутностью [6]. Новая версия формата RINEX 3.0 введенная
с 1 февраля 2006 года лишена этого недостатка [7]. Влияние многопутности эффективно усредняется на больших интервалах времени. Для коротких периодов времени (до 20 - 30 минут, в зависимости от высоты антенны и скорости изменения угла высоты) многопутность не усредняется до нуля, и это может серьезно влиять на результаты кинематических и быстростатических съемок, где время наблюдений не превышает нескольких минут. В таких случаях могут иметь место ошибки в десятки миллиметров.
Отдельно следует отметить влияние рассеивания - частный вариант явления многопутности. Рассеивание вызывается отражением сигналов от поверхности бетонного столба (от бетона или металлической плиты), на котором антенна GPS-приемника установлена. Сигнал GPS рассеивается от поверхности столба и интерферирует с прямым сигналом. Ошибка зависит от угла высоты спутника и высоты установки антенны. Влияние данного фактора медленно изменяется при изменении угла высоты спутника и времени наблюдений и не всегда исключается при различных установках антенны. В результате, при незначительных (в пределах мм) ошибках в плановых координат, ошибки высотной составляющей может достигать 10 мм. Как показано в статье [8] рассеивание можно существенно уменьшить, если использовать материалы, поглощающие микроизлучение, закрыв подобным материалом верхнюю часть пилона. Учет влияния рассеивания сигнала имеет большое значение для построения высокоточных сетей, на
которых используется установка антенн с принудительным центрированием (на бетонных столбах).
Упомянём влияние естественных и искусственных радиопомех. К естественным радиопомехам в приеме сигнала GPS следует относить причины не связанные с деятельностью человека. Именно таким фактором является активность Солнца. Влияние искусственных радиопомех зависит от приборов, излучающих в диапазоне сигналов GPS. Названные влияния могут ухудшить качество приема сигнала вплоть до невозможности его приема.
На основе анализа влияний ошибок, кратко приведенного выше, и обзора литературы по данному вопросу можно сделать вывод о целесообразности 2 - 3-четырех часовых сеансов, вместо одного суточного, как это иногда предлагается в отечественной литературе.
В качестве примера, была выбрана сеть, состоящая из 7 пунктов (6, практически равнобедренных треугольников с длиной стороны порядка 16-20 км, имеющих одну общую вершину).
Суточные файлы измерений были разделены на кратные 12-ти, 6-ти, 4-х, 3-х и 2-х часовые сеансы. В качестве эталонного значения были взяты компоненты пространственных векторов, полученных из обработки суточного сеанса. Анализ полученных результатов показал, что различие в компонентах векторов становятся исчезающее малым уже на 3 - 4 часовых сеансах наблюдений. А остаточные различия компонентов вектора из суточного интервала измерений, заметные на двух и трех часовых интервалах, на 6-ти, 8-ти и 12-ти часовых интервалах асимптотически приближаются к нулю.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Rizos, Ch. Precise GPS Positioning: Prospects and Challenges [Electronic resource] / Ch. Rizos. - 2001. - 17 p. - Англ. - Режим доступа: www.gmat.unsw.edu.au/snap/ publications/rizos_2001a.pdf
2. Teunissen, P.J.G. GPS for geodesy. Teunissen P.J.G., Kleusberg A. (Eds.). [Text] / P.J.G. Teunissen, Y. Bock, G. Beutler et al. - Berlin: Springer, 1998. - 650 p. - Англ.
3. Bernese GPS Software Version 4.2 [Text] / Edited by U. Hugentobler, S. Schaer, P. Fridez. - Astronomical Institute University of Berne. - February 2001. - Англ.
4. Bisnath, S.B. A new approach to an old problem Carrier-Phase Cycle Slips [Text] / S B. Bisnath, Donghyun Kim, R.B. Langley // GPS World. - 2001. - Vol. 12, No. 5. - P. 46-51. - Англ.
5. Niell A.E. Global mapping functions for atmosphere delay at radio wavelengths [Text] / A.E. Niell // J. of Geophysical Research, vol. 101, No. B2. - February 10, 1996. - P. 32273246. - Англ.
6. Gurtner, W. RINEX - The receiver-independent exchange format [Text] / W. Gurtner // GPS World. - 1994. - Vol. 5, No. 7. - P. 48-52. - Англ.
7. Gurtner, W. RINEX. The Receiver Independent Exchange Format. Version 3.00 [Electronic resource] / W. Gurtner, L. Estey. - February 1st, 2006. - 36 p. - Англ. - Режим доступа: ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/rinex300.pdf
8. Elosegui, P. Geodesy using the Global Positioning System: The effects of signal scattering on estimates of site position [text] / P. Elosegui, J.L. Davis, R.T.K. Jaldehag et al. // Journal of Geophysical Research, Vol. 100, No. B7. - 1995. - P. 9921-9934. - Англ.
© А.Н. Клепиков, 2006
