Основы GPS: использование высокоточных эфемерид при обработке измерений

Основы GPS: использование  высокоточных эфемерид при обработке  измерений. 

Что такое эфемериды?

В знаменитом словаре определений  Вебстера, приводится следующее определение  термина эфемериды" "Эфемериды – это таблица координат небесного тела, приведенная в различные периоды времени за определенный период. Астрономы и геодезисты используют эфемериды для определения положений небесных тел, которые берутся в дальнейшем для вычисления координат точек на поверхности земли.

В общем, для нас GPS эфемериды  можно сравнить с GPS спутниками, и  представить их в качестве созвездия  искусственных звезд. Для того, чтобы  вычислить наше местоположение относительно спутников GPS, нам нужно знать  их местонахождение в пространстве, другими словами их эфемериды. Существует два типа эфемерид: переданные (бортовые) и точные.

Переданные (бортовые) эфемериды

Переданные (бортовые) эфемериды, как видно из их названия, передаются непосредственно от GPS спутников. Переданные эфемериды содержат информацию об элементах  кеплеровской орбиты, которые позволяют GPS приемнику вычислять общеземные геоцентрические координаты каждого  спутника, относительно исходной геодезической  даты WGS-84. Эти кеплеровские элементы состоят из информации о координатах  спутников на определённую эпоху  и изменений параметров орбиты от отчетного периода до момента  наблюдения (принимается рассчитанная скорость изменения параметров). Пять станций мониторинга постоянно  отслеживают заранее предсказанные  положения орбит спутников, формируя поток эфемеридной информации. Далее главная управляющая станция Navstar ежедневно передает переданные эфемериды на спутники. Вычисленная точность переданных эфемерид составляет ~ 260 см и ~ 7 нс.

Точные эфемериды (Final products)

Точные эфемериды состоят  из общеземных геоцентрических координат  каждого спутника, определенных в  Общеземной наземной системе отчета и включают поправки часов. Эфемериды  вычисляются для каждого спутника с интервалом 15 мин. Точные эфемериды  – это продукт постобработки. Данные собираются станциями слежения, расположенными по всей территории Земли. Далее эти данные передаются в  Международную Службу GPS (IGS), где  и происходит вычисление точных эфемерид. Точные эфемериды становятся доступными приблизительно через 2 недели после  времени сбора данных и имеют  точность менее 5 см и 0.1 нс.

Точные эфемериды можно скачать  с сервера NASA: 
ftp://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/product/

Быстрые эфемериды (Rapid products)

Быстрые эфемериды вычисляются  по тому же принципу, что и точные эфемериды, однако при обработке  используется меньший набор данных. Быстрые орбиты, как правило, “выкладываются”  на службы международных агентств на следующий день. Точность быстрых  эфемерид составляет 5 см и 0.2 нс.

Быстрые эфемериды можно скачать  с сервера IGS: 
http://igscb.jpl.nasa.gov/components/dcnav/igscb_product_wwww.html

Предсказанные или Ультрабыстрые  эфемериды (Ultrarapid products)

Ультрабыстрые эфемериды  передаются, как и переданные эфемериды, но обновляются они дважды в день. Иногда их называют эфемеридами в  реальном времени. Это можно объяснить  тем фактом, что их используют также  как и переданные эфемериды, но для  приложений в реальном времени. Точность ультрабыстрых эфемерид составляет ~ 25 см и ~ 5 нс.

Ультрабыстрые эфемериды можно  скачать с сервера IGS: 
http://igscb.jpl.nasa.gov/components/dcnav/igscb_product_wwww.html

А нужны ли нам точные эфемериды?

Для того, чтобы ответить на этот вопрос, давайте установим  связь между точностью эфемерид и точностью решения GPS вектора. Предположим, речь идет о базовой линии длиной 10 км. Мы обрабатываем линию, используя при этом, переданные эфемериды (точность 2.60 м). В этом случае, ожидаемая точность будет равна (10 км /20000 км) * 2.60м = 1.3 мм. Если длина базовой линии будет равна 100 км, ошибка возрастет до 13 мм. Эти цифры позволяют сделать вывод о том, что на коротких базовых линиях (до 100 км) использование переданных эфемерид является более чем достаточным.

Вообще, можно говорить о  том, что в связи с развитием  системы GPS, потребность в точных эфемеридах несколько уменьшилась. Например, еще несколько лет назад  ошибка переданных эфемерид составляла 20 м, при этом ошибка измерения на 10 км базисе составила бы 1 см.

Зачем использовать точные эфемериды?

Во-первых, необходимо иметь  в виду, что величины ошибок, которые  приводились ранее, справедливы  для линий, имеющих фиксированные  решения. Однако на линиях порядка 50 км и выше, весьма трудно получить фиксированное  решение, используя переданные эфемериды. Использование точных эфемерид значительно  повышает шансы получить фиксированное  решение.

Во-вторых, давно известно, что высота с помощью GPS определяется менее точно, чем плановые координаты. Поэтому, при работах, требующих  более качественного определения  высоты, рекомендуется использовать точные эфемериды.

В-третьих, надо помнить о  том, что переданные эфемериды только предположение о том, где должны находиться спутники. Иногда могут возникнуть ситуации, когда в переданных эфемеридах содержатся ошибки, которые не могут не отразиться на качестве решения базовой линии. Выходом из такой ситуации, может служить использование быстрых эфемерид, спустя сутки после выполнения наблюдений.

Где я могу найти точные эфемериды?

Существует много источников, где можно бесплатно найти  различные типы эфемерид. В качестве примеров, можно привести сайт Международной  Геодинамической Службы (IGS): 
http://igscb.jpl.nasa.gov/components/prods.html

Какой наиболее распространённый формат точных эфемерид?

Точные эфемериды доступны в двух стандартных форматах: SP3 (ASCII формат) и E18(бинарный формат). Большинство профессиональных программ обработки GPS измерений напрямую поддерживают один из этих двух форматов (например, Trimble Geomatics Office поддерживает оба типа точных эфемерид, прим. переводчика). При необходимости можно воспользоваться утилитой по переводу между этими двумя форматами.

Как формируется название файлов точных эфемерид?

Если Вы впервые используете  точные эфемериды, имена их файлов могут  показаться вам сложными и не имеющими логического построения. Однако на деле, все оказывается не таким  уж сложным. Имена файлов точных эфемерид имеют вид zzznnnnx.aaa, где

zzz – имя организации (NGS, IGS и т.д.) 
nnnn – порядковый номер GPS недели (например 0475) 
x –день недели (воскресенье=0, суббота=6) 
ааа – тип файлы (например, sp3, e18) 

ГЛОБАЛЬНЫЕ СИСТЕМЫ  ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ

1. РЕЖИМЫ ИЗМЕРЕНИЯ, ИЗМЕРЯЕМЫЕ ВЕЛИЧИНЫ

Кодовый режим - это режим, изначально заложенный в систему. Сигнал каждого спутника содержит его эфемериды - данные о  местоположении спутника, позволяющие  вычислить координаты спутника в  земной системе координат. Кроме  того, кодовый сигнал содержит передаваемую каждые шесть секунд временную метку. Момент ухода временной метки  со спутника, определенный по часам  спутника, подписан на ней. Приемник захватывает  сигнал спутника, идентифицирует спутник  по коду его сигнала, считывает временную  метку и определяет время t_r прохождения сигнала от спутника до приемника. Это позволяет вычислить дальность от приемника до спутника. Все было бы именно так, если бы часы приемника и спутника шли синхронно. На самом деле между их показаниями в один и тот же момент времени существует ненулевая разность - относительная поправка часов. Она входит в результат определения дальности. Поэтому в данном случае дальность называют псев додальностью. Говорят, что в кодовом, навигационном режиме измеряемой величиной является кодовая псевдодальность. Поправку часов приемника относительно часов спутника на момент наблюдений определяют как неизвестную величину из обработки результатов этих наблюдений.

Таким образом, для каждого пункта имеется  не три неизвестных - три координаты пункта - а четыре неизвестных: три  координаты и поправка часов приемника. Следовательно, для мгновенного  определения местоположения необходимо, чтобы на антенну приемника одновременно приходили сигналы не менее чем  от четырех спутников системы. Созвездие  спутников системы обеспечивает это требование.

Фазовый режим - это режим высокоточных геодезических  измерений. В нем одновременно участвуют  по крайней мере два приемника. В  этом режиме получают координаты вектора  базы, то есть разность координат пунктов, на которых установлены антенны  спутниковых приемников. Ошибка определения  вектора базы составляет от нескольких миллиметров до нескольких сантиметров. Измерения выполняют на несущей  частоте сигнала спутника, освобожденного от кода процедурой квадратирования. Измеряемой величиной является мгновенная разность фаз сигнала спутника и сигнала  генератора приемника. Здесь уместно  сказать о терминах абсолютные и  относительные определения. По более  или менее сложившейся терминологии под абсолютными определениями  понимают определение координат  пункта, то есть работу в кодовом  навигационном режиме. Под относительными определениями понимают определение  местоположения одного пункта относительно другого - твердого, исходного пункта. Таков разностный фазовый режим  геодезических измерений. Относительными определениями можно также назвать  дифференциальный навигационный кодовый  режим, когда местоположение и вектор скорости подвижного носителя определяют относительно дифференциальной станции.

Допплеровский режим, точнее режим интегрального  допплера, является как бы побочным по отношению к фазовому. Допплеровская  частота пропорциональна скорости изменения фазы, поэтому допплеровскую  частоту получают попутно с измерением фазы, без каких-либо дополнительных затрат. Несмотря на «бесплатность» этот режим дает богатую информацию о  местоположении пункта. Следует напомнить, что первые спутниковые радионавигационные системы были исключительно допплеровскими.

Как сказано, режимы наблюдений неразрывно связаны друг с другом. Геодезиста более всего интересует высокоточный фазовый режим, однако приближенные значения координат пунктов, необходимые  для уравнивания, он получает из кодовых  и допплеровских измерений. Перемещение  по объекту и поиск исходных пунктов  также очень облегчает использование  кодового навигационного режима. Далее  рассмотрим измеряемые величины более  детально.

1.1. Кодовые псевдодальности

Каждый  спутник системы излучает несущие  колебания с длиной волны около 20 сантиметров, манипулированные по фазе кодовыми последовательностями. О структуре  сигнала подробнее написано в разделе 3. Здесь скажем, что все спутники GPS работают на одних и тех же несущих частотах, но каждому спутнику присущ его индивидуальный код. Спутниковый приемник генерирует копии кода каждого спутника и идентифицирует спутники именно по форме кода. Сразу после включения приемника он начинает захват сигналов спутников. Другими словами, приемник выполняет корреляционную обработку сигнала спутника и генерируемых этим приемником копий кодов, перебирая эти копии. Отличие функции корреляции от нуля означает, что спутник идентифицирован, а его сигнал - захвачен.

После захвата сигнала первого же спутника приемник начинает скачивать кодовую  информацию, содержащуюся в навигационном  спутниковом сообщении. В частности, скачивается альманах. Об этом подробнее  написано в разделе 3.2. Иногда приемник самостоятельно принимает решение перейти к скачиванию информации с другого, более «удобного», по его мнению, спутника, как правило, находящегося ближе всего к зениту пункта наблюдения. Вся процедура отражается на дисплее, оператор может это наблюдать, но не может вмешаться. После захвата сигналов достаточного количества спутников приемник начинает определять навигационные координаты своей антенны по измеренным кодовым псевдодальностям. Для определения всех трех координат антенны необходимо работать с четырьмя спутниками. Такой режим обозначают 3D (3 Dimensional) - трехмерный. В навигационных приемниках предусмотрена возможность работы в двумерном режиме 2D. Приемник, пока он успел захватить сигнал только трех спутников, определяет плановые координаты пункта. После захвата сигнала четвертого спутника приемник переходит в режим 3D.

Кодовые псевдодальности определяют из корреляционной обработки кодового сигнала спутника, и копии этого сигнала, генерируемой приёмником. С/А-кодовый и Р-кодовый  сигналы спутника сопровождаются временными метками, генерируемые спутниковым  стандартом частоты и времени - часами спутника. Аналогично кодовые сигналы  приёмника сопровождаются временными метками, генерируемыми часами приёмника. В ходе корреляционной обработки  осуществляют поиск максимума коэффициента корреляции двух сигналов. В результате получают относительную временную  задержку двух сигналов как временной  интервал между одноимёнными временными метками. Этот временной интервал, исправленный за задержки сигнала в атмосфере  и еще за влияние ряда факторов и умноженный на скорость сигнала, дает псевдодальность. Ее вычисляют по формуле  для случая однократного прохождения  сигнала по дистанции. Отличие в  том, что результат искажен поправкой  часов приемника относительно часов  спутника. По физической сути измерение  кодовых псевдодальностей выполняют, реализуя временной метод измерений  с кодовой модуляцией сигнала, проходящего дистанцию однократно. Зная из навигационного сообщения координаты спутников в момент наблюдений и используя измеренные псев до дальности, приемник определяет координаты антенны. Задача аналогична линейной пространственной засечке. Отличие в том, что в дополнение к координатам антенны получают поправку часов приемника. Ошибку измерений характеризует URA (User Range Accuracy) - точность измерения дальностей (до каждого спутника) для данного пользователя. Ошибка определения координат и поправки часов зависит также от геометрии наблюдений. Вся эта информация также выдается на дисплей. О геометрическом факторе написано в разделе 1.4.