Исполнительная-схема.ру

Инструкция по работе с GNSS/GPS оборудованием

Основы работы с GPS оборудованием

Ниже приведу краткий набор теоретических знаний, которые помогут при работе с GPS оборудованием. О том что такое GPS, про всякие там спутники, частоты и т.д. – почитаете в интернете. Мы будем заниматься конкретными вещами, необходимыми для успешной съемки.

Виды GPS-Оборудования

Что влияет на качество сигнала GPS?

Понижают качество измерений следующие факторы:

Наличие препятствий вокруг приемника (строений, деревьев). Каждый приемник обычно показывает количество спутников, сигнал от которых он принимает. В теории для работы приемника достаточно 4 общих спутника (общих для базы и ровера).

На практике при числе спутников:

Так что GPS могут хуже работать в лесу, между домами, которые закрывают горизонт прибору и т.д. Также если вы устанавливаете GPS на пункте триангуляции, где сохранилась металлическая пирамида – увеличьте время стояния. Металл над антенной GPS тоже плохо влияет на измерения.

Объекты создающие активные помехи:

Объекты, которые формируют вокруг себя электромагнитное поле – негативно влияют на прием сигналов GPS. К таким объектам относятся линии электропередач, активные радары аэропортов и военных объектов, промышленное электронное мощное оборудование. То есть лучше избегать ставить GPS под линиями электропередач.

Геометрический фактор PDOP

PDOP – это коэффициент, который показывает «насколько хорошо GPS сейчас работается» Это основной параметр, который отображается во многих GPS приборах.
Значения PDOP:

Режимы работы GPS

«Статика» (STATIC)

Метод статических определений. Наиболее точный из всех методов. Позволяет получить миллиметровую точность. Используется для передачи координат от изветсных пунктов к определяемым пунктам. Минимальный комплект приемников: 2 штуки. Один из приемников называют «база», второй «ровер». Базовый приемник устанавливается над пунктом с известными координатами. Замеряется его высота над точкой и он включается. Затем второй приемник (ровер) устанавливается на объекте над точкой, координаты которой мы хотим узнать. Приемники работают некоторое время. После измерений ровер переставляют на другие определяемые точки и повторяют наблюдения. Потом данные обрабатывают на компьютере и получают координаты определяемых точек. При этом измерения можно вводить в «сеть». Например провести насколько сеансов в разное время с разных пунктов, разными приемниками – свести их в единую сеть на компьютере, обсчитать и уравнять.

Цепочка информации будет выглядеть так:

Тут критически важно знать, что время измерений – это время в течении которого работают оба приемника (совместно). Именно совместная работа приемников с наличием общих спутников потом позволит получить координаты точек. От одной базы может работать множество роверов.

Пример временной записи:

В этом примере всего процесс занял у нас 2 часа (12-14), но полезное время совместных измерений было только 30 минут (12:30 – 13:30). Надо указать, что расстояние между базой и ровером для приемников L1 не должно превышать 20км, а для приемников L2 – до 50 км. Измерения при базисе больше 50 км для приборов L2 проводить можно, но они обрабатываются в специальных программах. Ограничение по расстоянию связано с кривизной земли и наличием общих спутников во время сеанса наблюдений. Однако стоит сказать, что когда я работал в аэрофотосъемке — мы используя специальные программы и приборы типа L2 обрабатывали базисы в 200-300 км. То есть это возможно, но требует дополнительных знаний.

Расчет времени работы в статике:

Каждая модель GPS приемника имеет обычно свои указания по расчету времени работы. Ниже приведу «примерное» время работы исходя из своего опыта. Основные параметры влияющие на время сеанса: количество спутников, расстояние между приемниками и PDOP. Обычно достаточно знать расстояние между приемниками для планирования сеанса.

Расчет времени работы в статике приборами L1:

Расчет времени работы в статике приборами L2:
Общая формула 10 мин. + 0,5минут на км
Пример: Расстояние базиса 20 км = 10мин+0,5*20мин = 20мин
2й вариант (более точный)

Есть основное правило:
— Если все хорошо и до пункта менее 10 км – стоим 30 минут
— Если что-то не так – стоим 1..2..3 часа

Режим работы «Стой-иди» ( STOP&GO)

Режим очень похож на статику с той лишь разницей, что ровер стоит над каждой точкой около 3-х минут и перемещается далее. В приемниках L1 такой режим позволял проводить съемку открытых пространств. С появление RTK режима – теперь практически не используется.
Основные моменты:

Расстояние база ровер – менее 20 км
Время стояния ровером на точке – 3мин
Применяется для топосъемки открытых площадок приемниками L1

Режим RTK (кинематика в реальном времени)

Основной современный режим съемки GPS оборудованием для проведения топографических съемок.
Надо сказать, что не смотря на наличие такого режима привязку временных реперов и других точных пунктов надо делать в режиме «статика».
Основная идея:
База стоит над точками с известными координатами и через канал связи передает некие «поправки» роверу. Ровер их принимает и выдает координаты своего местоположения с
высокой точностью.
Точность = примерно 10мм + 0,5мм * Дальность,км
Пример:
При удалении от базы на 20км получим точность ровера:
10мм + 0,5мм * 20км = 20мм
Это без учета всех остальных поправок. На практике получаем точность 5-50 мм., в зависимости от рельефа местности, может быть гораздо больше…

Каналы передачи данных

Существует насколько каналов по которым база может передавать поправки роверу:

Поправки передаются через мобильную связь. Для этого в базе и в ровере должны быть вставлены SIM-карточки мобильных операторов с услугой «CSD» (услуга факсимильной передачи данных ). На момент января 2018 г. для оператора МТС эта услуга стоит 1мин=2руб, кроме того теперь для МТС эта услуга называется «пакетная передача данных» и она выдается только юридическим лицам. Для работы канала нужно мобильное покрытие территории и денюжка на карточках.

Поправки передаются через мобильную сеть с выходом в интернет. Условия для работы как и для GSM канала, но нужны уже просто любые SIM-карты с доступом в интернет и сервер для поддержки и обработки данных.

В среднем база потребляет 1,5мБ в час трафика, т.е при ежедневной работе по 8 часов за 30 дней понадобиться 360мб., при работе по 6 часов за 20 дней — 180мб

NTRIP Работа от базовой станции (БС)

В этом методе в качестве базы используются «базовые станции» сторонних организаций, установленные обычно в городах и «вещающие» свои координаты в эфир. Услуги платные и для работы понадобятся данные доступа к БС. При таком методе для работы вам понадобится только один ровер с контроллером. Очень удобно. Приехали на место, достали GPS, подключились к базовой станции и можно снимать. Рекомендуемое удаление от БС – до 50км, хотя по факту нормально работали и на удалении 70-90км (точность падала до 2см). При этом базовые станции позволяют работать от них как в режиме RTK (NTRIP), так и в режиме «Статика» с последующей обработкой данных.

Радиомодем

Канал данных, при котором поправки передаются по радио. Бывают встроенные модемы, которые встроены в GPS (мощность до 2-6Вт) и обеспечивают связь на удалении до 1-2х километров от базы. Бывают также модемы внешние (мощностью около 20-35-60Вт), которые подключаются к GPS и обеспечат покрытие до 20-25км. Покрытие сильно зависит от типа местности, наличия строений, леса и т.д. Надо сказать, что например в Москве и Питере работать по радио на территории города запрещено. Все там работают от базовых станций через мобильную сеть. Также могут быть проблемы при работе на территории аэропортов и военных объектов. Предварительно уточняйте можно ли работать на объекте в радиорежиме. В малонаселенных районах – этот канал передачи поправок основной.

Понятие «Фиксированное решение»

При работе в режиме RTK возникает следующая цепочка передачи информации :

Момент, когда ровер успешно принимает поправки от базы и уверенно рассчитывает свои координаты – называется «Фиксированное решение» или в простонародье «Фикса».
Любой контроллер GPS этот момент всегда отображает.

Соответственно правило:
— Есть «фикса» — можно работать и снимать
— Нет «фиксы» — надо ее дождаться, снимать нельзя

Основные моменты когда фикса слетает:

В принципе это основные моменты о которых надо знать при работе с GPS-приемниками. Однако надо помнить, что самообразование – залог профессионализма 🙂

Источник

Причины ошибок в системе GPS

Если два спутника находятся в наилучшем положении относительно приемника, то угол между приемником и спутниками равен 90 градусов. Время прохождения сигнала не может быть определенно абсолютно точно, о чем говорилось ранее. Поэтому возможные положения отмечены черными кругами. Точка пересечения (А) двух кругов достаточна мала и обозначена синим квадратным полем, что означает, что определяемые координаты будут достаточно точными.

Если спутники расположены почти в одну линию относительно приемника, то, как видно, на перекрестии мы получим более обширную площадь, а значит и меньшую точность.

Геометрия спутников также во многом зависит от высоких машин или от того, используете ли вы прибор в машине. Если какой-то из сигналов заблокирован, оставшиеся спутники попробуют определить координаты, если это вообще будет возможно. Такое часто может наблюдаться в зданиях, когда вы близко расположены к окнам. Если определение местоположением будет возможным, то в большинстве случаев оно будет не точным. Чем большая часть небосвода загорожена каким-либо предметом, тем становится сложнее определить координаты.

Большинство GPS приемников не только показывают количество «пойманных» спутников, но так же и их положение в небе. Это позволяет пользователю судить, закрывается ли какой-то определенный спутник каким-либо предметом и возникнет ли неточность данных при перемещении всего на пару метров.

Производители большинства приборов дают свою формулировку о точности измеряемых величин, которая в основном зависит от разных факторов. (о которых производитель неохотно говорит).

Для определения качества геометрии спутников в основном используются значения DOP («разбавление» точности). В зависимости от того, какие факторы используются для вычисления значений DOP, возможны различные варианты:

Геометрия спутников не является причиной погрешности в определении положения, которое может быть измерено в метрах. На самом деле значения DOP усиливает другие неточности. Высокие значения DOP увеличивает другие ошибки больше, чем низкое значения DOP.

Хотя спутники и находятся на достаточно четко определенных орбитах, небольшое отклонения от орбит все же возможно из-за гравитации. Солнце и Луна имеют слабое влияние на орбиты. Данные об орбите постоянно корректируются и поправляются и регулярно посылаются приемнику в эмпирическую память. Поэтому влияние на точность определения местоположения достаточно маленькое и если возникает погрешность, то не более 2 метров.

Влияния отражения сигналов

Эффект происходит из-за отражения сигналов спутника от других объектов. Для GPS сигналов этот эффект главным образом происходит в близости больших зданий или других объектов. Отраженному сигналу требуется больше времени, чем прямому сигналу. Ошибка составит всего несколько метров.

Используя WAAS и EGNOS можно настроить «карты» погодных условий над различными регионами. Откорректированные данные отсылаются на приемник и заметно улучшают точность.

Неточность часов и округление ошибок

Несмотря на то, что время приемника синхронизируется с временем спутника во время определения положения, все же неточность времени есть, что приводит к ошибки в 2м при определении местоположения. Округление и вычислительные ошибки приемника имеют погрешность примерно в 1м.

В данном разделе нет полного объяснения теории относительности. В повседневной жизни мы не осознаем значения теории относительности. Однако, эта теория влияет на множество процессов, среди которых правильное функционирование GPS системы. Это влияние будет коротко объяснено далее.

Как мы знаем, время является одним из главных факторов в GPS навигации и должно быть равно 20-30 наносекундам, чтобы обеспечить необходимую точность. Поэтому необходимо учесть скорость движения спутников (примерно 12000 км/ч)

Кто когда-либо сталкивался с теорией относительности, знает, что время течет медленнее при больших скоростях. Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для земли. Это релятивистское время ведет к неточности во времени примерно в 7,2 микросекунде в день (1 микросекунд = 10-6 секунд). Теория относительности также гласит, что время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее (так как спутник находится на 20 000 км выше и подвергается гравитационным силам меньше, чем наблюдатель). И эта вторая причина этого эффекта, который в шесть раз сильнее, чем неточность о которой говорилось чуть ранее.

В целом, кажется, что часы на спутниках идут немного быстрее. Отклонение времени для наблюдателя на Земле составило бы 38 микросекунд в день и послужили бы причиной ошибки в итоге в 10 км за день. Чтобы избежать этой ошибки нет необходимости постоянно вносить корректировки. Частота часов на спутниках была установлена на 10.229999995453 Mhz вместо of 10.23 Mhz, но данные используют так, как если бы они имели стандартную частоту в 10.23 MHz. Эта уловка решила проблему релятивистского эффекта раз и навсегда.

Но есть и другой релятивистский эффект, который не учитывается при определении местоположения по системе GPS. Это так называемый эффект Сагнака и он вызван тем, что наблюдатель на поверхности Земли также постоянно движется со скоростью 500м/с (скорость на экваторе) из-за того, что планета вращается. Но влияние этого эффекта мало и его корректировка сложна для вычисления, т.к. зависит от направления движения. Поэтому этот эффект учитывается только в особых случаях.

Источник

«Любая достаточно развитая технология неотличима от магии.» Артур Кларк, британский писатель, изобретатель и футуролог.

В этой главе мы познакомим вас с основными принципами ГНСС. Мы обсудим более сложные концепции в следующих главах.

Поначалу ГНСС может показаться волшебством, но чем больше вы ее изучаете, тем проще и элегантнее она становится. Базовая концепция ГНСС, показанная на рис. 10, иллюстрирует порядок использования ГНСС для определения времени и местоположения, вплоть до приложения конечного пользователя.

Этап 1. Спутники: спутники ГНСС вращаются вокруг Земли. Спутники очень и очень точно знают свои эфемериды орбиты (параметры, определяющие их орбиту) и время. При необходимости наземные станции управления корректируют эфемериды и время спутников.

На следующих страницах мы обсудим каждый из вышеперечисленных пунктов более подробно.

Спутники

Спутники ГНСС вращаются над атмосферой на высоте около 20 000 км над земной поверхностью. Они движутся очень быстро, со скоростью в несколько километров в секунду.

Спутники ГНСС не такие маленькие, как вы думаете. Спутники GPS последнего поколения (Block IIF) весят более 1400 кг, что немного больше веса автомобиля Volkswagen Beetle. Размеры корпуса этих спутников 2,5 м х 2,0 м х 2,2 м. На рис. 11 показано изображение корпуса GPS-спутника Block IIR, чтобы понять, насколько они велики.

В относительном вакууме космоса траектории спутников очень стабильны и предсказуемы. Как уже упоминалось, спутники ГНСС очень и очень точно знают свое время и эфемериды орбиты. Если вы запросите время у спутника GPS, он не покажет вам восемь тридцать. Он сообщит вам 8: 31.39875921.

В спутниках GPS последнего поколения используются рубидиевые часы, точность которых составляет ± 5 на 10−11. Эти часы синхронизируются более точными наземными цезиевыми часами. Вам нужно будет наблюдать за одними из этих цезиевых часов более 100 000 лет, чтобы увидеть, как они добавляют или теряют секунду. Для сравнения: если у вас кварцевые часы, они, вероятно, будут иметь точность ± 5 на 10−6 и будут терять около секунды каждые два дня.

Между прочим, если бы всем приемникам ГНСС потребовался бы рубидиевый стандарт, жизнеспособность ГНСС быстро упала бы. Позже в этой главе мы опишем элегантный способ, которым системы ГНСС «передают» точность своих спутниковых часов приемникам ГНСС.

Вам может быть интересно, почему время имеет такое большое значение в системах ГНСС. Это связано с тем, что время, необходимое для прохождения сигнала ГНСС от спутников к приемникам, используется для определения расстояний (диапазонов) до спутников. Требуется точность, потому что радиоволны распространяются со скоростью света. За одну микросекунду (миллионную долю секунды) свет проходит 300 метров. За наносекунду (миллиардную долю секунды) свет проходит 30 см. Небольшие ошибки во времени могут привести к большим ошибкам в положении.

GPS была первой запущенной группировкой ГНСС. При стоимости 12 миллиардов долларов это самая точная навигационная система в мире.

Тем не менее, доступ к нескольким группировкам особенно выгоден там, где прямая видимость некоторых спутников затруднена, как это часто бывает в городских или покрытых растительностью районах.

Спутниковые орбиты

Спутники ГНСС вращаются над земной атмосферой. Спутники GPS и ГЛОНАСС находятся на орбите на высоте около 20 000 км. Спутники BeiDou и Galileo вращаются немного выше, около 21 500 км для BeiDou и 23 000 км для Galileo. Орбиты ГНСС, которые являются более или менее круговыми, очень стабильными и предсказуемыми, относятся к категории СОО (средней околоземной орбиты).

На 20 000 км сопротивление не так велико, но гравитационные эффекты и давление солнечной радиации действительно немного влияют на орбиты ГНСС, и их иногда приходится корректировать. Пока орбита корректируется, статус спутника ГНСС изменяется на «неработающий», чтобы пользовательское оборудование знало, что не следует использовать его сигналы.

Спутниковые сигналы

«Все должно быть изложено так просто, как только возможно, но не проще». Альберт Эйнштейн.

Спутниковые сигналы ГНСС сложны. Для описания этих сигналов требуются не менее сложные слова, такие как псевдослучайность, корреляция и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Чтобы объяснить эти концепции ГНСС, давайте сначала обсудим спутниковые сигналы GPS.

Прежде всего, GPS был разработан как система определения местоположения для Министерства обороны США. Чтобы обеспечить высокоточную информацию о местоположении для военных приложений, в систему была заложена большая сложность, чтобы сделать ее безопасной и невосприимчивой к помехам и помехам. Хотя военные и гражданские компоненты GPS разделены, некоторые из технологий, используемых в военном компоненте, были применены к гражданскому компоненту.

С тех пор, как в декабре 1993 года была достигнута первоначальная эксплуатационная способность, GPS стала доступна гражданским пользователям, у которых другие требования к доступности услуг, точности определения местоположения и стоимости.

Частотные характеристики (параметры, описывающие частоту, амплитуду и ширину сигналов) для каждой системы ГНСС немного отличаются. Мы опишем эти параметры более подробно в главе 3. Однако, чтобы проиллюстрировать концепции ГНСС, мы кратко опишем частотную и сигнальную схему, используемую GPS, которая показана на рис. 12. Концептуально это не сильно отличается от частотных параметров для кабельных или вещательных телеканалов.

Как показано на рис. 12, спутники GPS передают информацию на частотах L1, L2 и L5. Вы можете спросить: «Как все спутники GPS могут передавать на одинаковых частотах?»

GPS работает по той же схеме передачи, которая используется в CDMA.

Приемники знают псевдослучайный код для каждого спутника. Это позволяет приемникам коррелировать (синхронизировать) с сигналом CDMA для конкретного спутника. Сигналы CDMA очень слабые, но благодаря этой кодовой корреляции приемник может восстанавливать сигналы и содержащуюся в них информацию.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрите возможность послушать человека в шумной комнате. Происходит много разговоров, но каждый разговор ведется на другом языке. Вы можете понять человека, потому что знаете язык, на котором он говорит. Если вы знаете несколько языков, вы также сможете понять, что говорят другие люди. CDMA во многом похож на этот случай.

Возможно, вам будет интересно узнать, что Хеди Ламарр, американская учёная и актриса австрийского происхождения, стала соавтором ранней формы коммуникационных технологий с расширенным спектром. 11 августа 1942 года ей и ее коллеге Джорджу Антейлу был выдан патент США 2292387. Невероятно, но Ламарр сменила карьеру и сняла 18 фильмов с 1940 по 1949 год, но концепции, описанные в ее патенте, способствовали развитию современных средств связи с расширенным спектром.

GPS работает в диапазоне частот, называемом L-диапазоном, частью радиоспектра от 1 до 2 ГГц. L-Band был выбран по нескольким причинам, в том числе:

• Упрощение конструкции антенны. Если бы частота была намного выше, пользовательские антенны пришлось бы делать более сложными.

• За исключением вакуума, скорость света ниже на более низких частотах, о чем свидетельствует разделение цветов в свете призмой. Вы могли подумать, что скорость света постоянна и составляет 299 792 458 метров в секунду. Фактически это 299 792 458 метров в секунду в вакууме, но через воздух или любую другую среду это меньше.

• Схема кодирования требует высокой полосы пропускания, которая была доступна не во всех частотных диапазонах.

• Полоса частот была подобрана таким образом, чтобы минимизировать влияние погоды на распространение сигнала GPS.

На частоте L1 спутник передает навигационное сообщение, код C / A грубого обнаружения (общедоступный) и зашифрованный кодовый сигнал (P), называемый кодом P (Y) (ограниченного доступа).

Навигационное сообщение представляет собой сообщение с низкой скоростью передачи данных, которое включает следующую информацию:

• Состояние и здоровье спутников. Если спутник неисправен или его орбита корректируется, его нельзя будет использовать. Когда это произойдет, спутник передаст сообщение о нерабочем состоянии.

• Данные спутниковых эфемерид, которые позволяют приемнику вычислить положение спутника. Эта информация точна до большого количества десятичных знаков. Приемники могут точно определить, где находился спутник, когда передавал свое время.

• Альманах, содержащий информацию и статус всех спутников GPS, чтобы приемники знали, какие спутники доступны для отслеживания. При запуске приемник восстановит этот «альманах». Альманах состоит из приблизительной информации об орбите и состоянии каждого спутника в группировке.

Код P (Y) предназначен для использования в военных целях. Он обеспечивает лучшее подавление помех, чем код C / A, что делает военную часть GPS более надежной, по сравнению с гражданский частью GPS. На частоте L2 также передается код P (Y), а на новых спутниках GPS передается код C / A (называемый L2C), предоставляемый гражданским пользователям второй общедоступный код. Хотя информация в коде P (Y) доступна не всем, умные люди придумали способы использования несущей частоты и кода L2, не зная, как они закодированы.

Хотя схема передачи GPS сложна, она была выбрана по многим веским причинам:

• Приемники GPS могут отслеживать очень слабые сигналы с помощью очень маленьких антенн. Это снижает стоимость приемника.

• Многочастотный режим позволяет ввести ионосферную поправку, поскольку величина ионосферной задержки радиосигнала меняются с частотой. Система GPS устойчива к помехам и интерференции спутниковых сигналов.

• Безопасность. Сигналы, доступные и используемые военными приложениями, недоступны для гражданского населения.

Другие системы ГНСС концептуально похожи на GPS, но есть отличия. Мы предоставим больше информации об этих различиях в главе 3.

Спутниковые ошибки

Спутниковые ошибки включают ошибки эфемерид и часов. Эти ошибки очень и очень малы, но имейте в виду, что за одну наносекунду свет проходит 30 сантиметров.

Время жизни спутников

Спутники ГНСС не вечны. Иногда их заменяют на новые модели, в которых используют новые сигналы или улучшенные часы. Иногда спутники ГНСС выходят из строя и, если их невозможно восстановить, то их навсегда отключают.

Спутниковые поправки

Наземные станции непрерывно контролируют спутники и регулярно корректируют время и информацию об орбите, чтобы обеспечить высокую точность передаваемой информации. Если орбита спутника выходит за пределы эксплуатационных ограничений, он может быть выведен из эксплуатации, а его орбита скорректирована с помощью небольших ракетных ускорителей.

В нашем случае ГНСС радиосигналы покинули спутниковую антенну и несутся по земле со скоростью света.

Сигналы ГНСС проходят через вакуум космоса, а затем через различные слои атмосферы к Земле, как показано на рис. 15.

Чтобы получить точное положение и время, нам нужно знать линейное расстояние от спутника до пользовательского оборудования (который мы называем «дальностью» до спутника). Как показано на рис. 15, радиоволны не распространяются по прямому пути. Свет распространяется по прямой только в вакууме или через идеально однородную среду. Подобно тому, как соломинка кажется «согнутой» в стакане с водой, радиосигналы со спутника изгибаются при прохождении через земную атмосферу. Этот «изгиб» увеличивает время прохождения сигнала от спутника до приемника. Как мы объясним разделе 4, расстояние до спутника рассчитывается путем умножения времени распространения (которое, как вы помните, представляет собой время, необходимое сигналу для прохождения от спутника до приемника) на скорость света. Ошибки во времени распространения увеличивают или уменьшают вычисленную дальность до спутника. Между прочим, поскольку вычисленное расстояние содержит ошибки и не совсем соответствует фактическому расстоянию, его называют «псевдодальностью».

Атмосферу рассматривают как состоящую из нескольких слоев. Слой атмосферы, который больше всего влияет на передачу сигналов GPS (и других ГНСС), это ионосфера, располагающаяся на расстоянии от 70 до 1000 км над земной поверхностью.

Ультрафиолетовые лучи солнца ионизируют молекулы газов в этом слое, высвобождая свободные электроны. Эти электроны влияют на распространение электромагнитных волн, в том числе на передачу спутникового сигнала GPS. Ионосферные задержки зависят от частоты, поэтому при вычислении дальности с использованием радиосигналов L1 и L2 влияние ионосферы может быть практически устранено приемником.

Другой слой атмосферы, который влияет на передачу сигналов GPS, это тропосфера, самый нижний слой атмосферы Земли. Толщина тропосферы варьируется, от 17 км в средних широтах, до 20 км ближе к экватору, и она более тонкая на полюсах. Задержка в тропосфере зависит от температуры, давления и относительной влажности. Радиосигналы L1 и L2 в тропосфере одинаково задерживаются, поэтому влияние тропосферной задержки не может быть определено так легко, как может быть вычислена ионосферная задержка. Однако можно смоделировать тропосферу, а затем спрогнозировать и компенсировать большую часть задержки.

Часть энергии сигнала, передаваемого спутником, отражается на пути к приемнику. Это явление называется «многолучевым распространением». Отраженные сигналы задерживаются по сравнению с прямым сигналом и, если они достаточно сильны, могут мешать полезному сигналу. Были разработаны методы, при которых приемник учитывает только самые ранние поступающие сигналы и игнорирует многолучевые сигналы, которые поступают позже. На первых порах GPS большинство ошибок происходило из-за задержек в ионосфере и тропосфере, но теперь больше внимания уделяется корректированию эффектов многолучевого распространения в интересах постоянного улучшения характеристик ГНСС.

Как мы уже указывали, приемникам необходимо принять сигналы как минимум от четырех спутников для определения местоположения. Использование большего количества спутников, если они доступны, улучшит определение местоположения; однако способность приемника использовать дополнительные спутники может быть ограничена его вычислительной мощностью. Способ, которым приемник использует дополнительные диапазоны, обычно является интеллектуальной собственностью производителя.

В зависимости от реализации, пользовательское оборудование может использовать сигналы от нескольких спутников в разных созвездиях ГНСС.

Чтобы определить точку (положение) и время, приемники ГНСС должны иметь возможность отслеживать как минимум четыре спутника. Это означает, что между антенной приемника и четырьмя спутниками должна быть прямая видимость.

Приемники различаются в зависимости от того, спутники каких созвездий ГНСС они отслеживают, и сколько спутников они могут отслеживать одновременно.

Для каждого отслеживаемого спутника приемник определяет время распространения сигнала. Это возможно из-за их псевдослучайного характера. Чтобы проиллюстрировать это, приводим пример на рис. 17, на котором показана передача псевдослучайного кода, состоящего из нулей и единиц.

Поскольку приемник знает псевдослучайный код для каждого спутника, он может определить время получения кода от конкретного спутника. Таким образом, он может определить время распространения сигнала.

Важность выбора антенны

Антенна действует как пространственный и частотный фильтр, поэтому выбор правильной антенны для приемника ГНСС имеет решающее значение для оптимизации производительности. Антенна должна соответствовать возможностям и характеристикам приемника, а также соответствовать размеру, весу, условиям окружающей среды и механическим характеристикам для предполагаемого применения.

Факторы, которые следует учитывать при выборе антенны ГНСС, включают:

1. Принимаемые созвездия и сигналы

У каждой группировки ГНСС есть свои собственные частоты сигнала и полосы пропускания. Антенна должна покрывать частоты сигнала, передаваемые созвездием, и полосу пропускания, поддерживаемую приемником ГНСС.

2. Коэффициент усиления антенны

3. Элементное усиление

Коэффициент усиления элемента определяет, насколько эффективен каждый антенный элемент при приеме сигналов. В любой сигнальной цепи общее качество зависит только от самого слабого звена, поэтому элемент антенны с низким коэффициентом усиления может быть компенсирован повышенным коэффициентом усиления малошумящего усилителя. Однако отношение сигнал / шум (С / Ш) ухудшается.

4. Ширина луча антенны и спад усиления

Коэффициент падения усиления зависит от ширины луча антенны, и определяет, насколько усиление изменяется в зависимости от угла возвышения антенны. С точки зрения антенны, спутники поднимаются от горизонта к зениту и опускаются обратно к горизонту. Изменение усиления между зенитом (прямо над головой) и горизонтом известно как спад усиления. Различные технологии, применяемые в антеннах, имеют разные характеристики спада усиления.

5. Стабильность фазового центра.

Фазовый центр антенны, это точка, в которой собираются сигналы, передаваемые со спутников. Когда приемник сообщает о местоположении, это местоположение, по сути, является местоположением фазового центра антенны.

Электрический фазовый центр любой антенны будет изменяться в зависимости от положения источника сигнала, который она принимает, на несколько миллиметров. Когда спутники ГНСС движутся по небу, электрический фазовый центр принимаемого сигнала обычно перемещается вместе с положением спутника, если только антенна не была тщательно спроектирована для минимизации смещения и вариации фазового центра. Смещение фазового центра измеряется относительно базовой точки антенны как разница между механическим центром вращения антенны и фазовым центром. Смещение также зависит от частоты, что означает, что для каждой частоты сигнала может быть разное смещение фазового центра. Вариация фазового центра определяет, насколько сдвигается фазовый центр относительно углов положения спутника.

Многие пользователи могут согласиться с точностью менее метра, поэтому эти небольшие изменения фазового центра вызывают незначительную ошибку определения положения. Но если вам требуется высокая точность, например, приемники с кинематикой в реальном времени (RTK), которые могут обеспечить точность определения положения 2–4 см, ошибка в несколько миллиметров фазового центра может привести к ошибке 10–15% в полученных координатах. Для приложений съемки в режиме RTK используют геодезические антенны, обеспечивающие высокую стабильность фазового центра и его низкой вариации.

6. Применение

Антенна должна соответствовать рабочим характеристикам, экологическим, механическим и эксплуатационным требованиям предполагаемого применения. Например, антенны ГНСС, используемые в авиации, в идеале должны быть сертифицированы федеральным управлением авиации США (TSO / FAA) и быть достаточно прочными, чтобы выдерживать экстремальные температуры и вибрации корпуса. Антенны, используемые при проведении полевых съемок, должны выдерживать грубое обращение геодезистов, включая возможное падение с высоты.

В таблице 1 приведены некоторые основные функции, необходимые для антенны ГНСС в зависимости от области их применения.

Если бы мы знали точное положение трех спутников и точное расстояние до каждого из них, мы могли бы геометрически определить свое местоположение. Мы предположили, что нам нужны известные расстояния до четырех спутников для определения местоположения. В этом разделе мы объясним, почему это так, и как на самом деле работает ГНСС позиционирование.

Для каждого отслеживаемого спутника приемник вычисляет, сколько времени потребовалось спутниковому сигналу, чтобы достичь его, следующим образом:

Время распространения, это разница между моментом временем, когда сигнал от спутника достиг приемника, и временем в момент отправки сигнала со спутника.

Умножение значения времени распространения на скорость света и дает расстояние до спутника.

Для каждого отслеживаемого спутника приемник теперь знает, где он находился во время передачи (потому что спутник передает эфемериды своей орбиты), и он определил расстояние до спутника, когда он был там. Используя трилатерацию, метод геометрического определения положения объекта, аналогично триангуляции, приемник вычисляет свое местоположение.

Чтобы помочь нам понять смысл трилатерации, мы представим эту технику в двухмерном пространстве. Приемник вычисляет расстояние до спутника A. Как мы уже упоминали, он делает это, измеряя количество времени, которое потребовалось для сигнала от спутника A, чтобы достигнуть антенны приемника, и умножая это время на скорость света. Спутник A сообщил свое местоположение (определенное по эфемеридам спутниковой орбиты и времени) приемнику, поэтому приемник знает, что он находится где-то на круге с радиусом, равным дальности и с центром, заданным положением спутника A, как показано на рис. 19. В трехмерном пространстве нам бы пришлось показывать расстояния в виде сфер, а не кругов.

Приемник также определяет свою дальность до второго спутника, Спутника B. Теперь приемник знает, что он находится на пересечении двух кругов в точках 1 или 2, как показано на рис. 20.

Вы можете сделать вывод, что для окончательного определения вашего местоположения в точке 1 или точке 2 потребуется дальность до третьего спутника. Но одна из точек чаще всего может быть исключена как невозможная, потому что, например, она находится в космосе или в центре Земли. У вас также может возникнуть соблазн расширить нашу иллюстрацию до трехмерной и предположить, что для решения задачи позиционирования необходимы только три расстояния. Но, как мы обсуждали ранее, необходимы четыре дальности. Почему?

Оказывается, часы приемника не так точны, как часы находящиеся на борту спутников. Большинство из них основаны на кристаллах кварца. Помните, мы говорили, что эти часы имеют точность всего точность ± 5 на 10−6. Если мы умножим это на скорость света, получим точность ± 1500 метров. Когда мы определяем дальность до двух спутников, наше вычисленное положение будет отличаться на величину, пропорциональную неточности часов нашего приемника, как показано на рис. 21.

Мы хотим определить нашу фактическую позицию, но, как показано на рис. 21, неточность времени приемника вызывает ошибки дальности, которые приводят к ошибкам местоположения. Получатель знает об ошибке, он просто не знает ее размера. Если мы теперь вычислим расстояние до третьего спутника, он не будет пересекать вычисленное положение, как показано на рис. 22.

Теперь об одном из гениальных приемов, используемых в определении местоположения по ГНСС.

Приемник знает, что причина того, что псевдодальности трех спутников не пересекаются, заключается в том, что его часы не очень хороши. Приемник увеличивает или уменьшает поправку в свои часы до тех пор, пока псевдодальности трех спутников не сойдутся в одной точке, как показано на рис. 23.

Высокая точность спутниковых часов теперь доступна и часам приемника, что и устраняет ошибку часов приемника при определении местоположения. Приемник помимо своего точного положения, знает и очень точное время. Это открывает возможности для широкого круга применений, о чем мы поговорим ниже.

Вышеупомянутый метод показывает, как в двумерном представлении можно устранить ошибки часов приемника и определить положение с использованием дальности до трех спутников. Когда мы расширяем эту технику до трехмерного пространства нам нужно добавить дальность до четвертого спутника. По этой причине для определения местоположения требуется прямая видимость как минимум четырех спутников ГНСС.

Источники ошибок ГНСС

Приемник ГНСС вычисляет местоположение на основе данных, полученных со спутников. Однако существует множество источников ошибок, которые, если их не исправить, приводят к неточности расчета положения. Некоторые из этих ошибок, например, вызванные преломлением спутникового сигнала при его прохождении через ионосферу и тропосферу, вызваны естественными причинами, а некоторые, как например методы избирательной доступности (SA), вводятся специально.

Тип ошибки и способ ее устранения важны для расчета точного положения, поскольку уровень точности полезен только в той степени, в которой измерениям можно доверять. Эта книга посвящает этой важной теме три главы. В главе 4 представлены основные источники ошибок ГНСС, а в главе 5 обсуждаются методы устранения ошибок и их влияние на точность и другие факторы производительности. В главе 8 представлено оборудование и сетевая инфраструктура, необходимые для генерации и приема данных коррекции.

Снижение точности из-за взаиморасположения спутников относительно антенны (DOP)

Геометрическое расположение спутников в том виде, в котором они представлены приемнику, влияет на точность расчетов местоположения и времени. Приемники в идеале должны быть спроектированы для использования сигналов от доступных спутников таким образом, чтобы свести к минимуму это так называемое «снижение точности».

Чтобы проиллюстрировать DOP, рассмотрим пример, показанный на рис. 24, где отслеживаемые спутники сгруппированы в небольшой области неба. Как видите, сложно определить, где пересекаются дальности. Местоположение размывается на область пересечения дальностей, область, которая увеличивается из-за неточностей измерения расстояний (что можно рассматривать как «утолщение» линий).

Как показано на рис. 25, добавление измерения дальности к спутнику, который отделен от скопления по углу, позволяет нам более точно определить точку.

Источник