Журнал Радио 11 номер 2002 год. НАУКА И ТЕХНИКА

Журнал Радио 11 номер 2002 год. НАУКА И ТЕХНИКА ГЕОТРОНИКА: ЭЛЕКТРОНИКА В ГЕОДЕЗИИ Спутниковые методы А. Н. ГОЛУБЕВ,
д-р техн. наук, проф. Московского государственного
университета геодезии и картографии   Окончание. Начало см. в "Радио", 2002, ╧10

Появление глобальных спутниковых систем дало возможность определять координаты в любой точке Земли в любое время. Одновременно осуществляется привязка к эталонным шкалам времени, а для движущегося объекта определяется вектор его скорости (скорость и направление движения). Все это, вместе взятое, часто обозначают термином «спутниковое позиционирование».

В настоящее время в мире существуют две глобальные системы: американская GPS (Global Positioning System) и отечественная ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система). Это системы дальномерного типа, вычисляющие координаты наземного приемника из измерений расстояний до движущихся спутников, мгновенные координаты которых известны в результате работы наземного комплекса. Местоположение приемника получается в пересечении всех измеренных расстояний (линейная засечка).

В отличие от наземной дальномет-рии, где сигнал проходит измеряемое расстояние дважды — в прямом и обратном направлениях, спутниковые системы используют беззапросный метод с однократным прохождением сигнала вдоль трассы. Сигнал излучается со спутника и принимается наземным приемником, определяющим время распространения τ. Расстояние между спутником и приемником р = vτ, где v — средняя скорость распространения сигнала.

Пусть спутник излучил сигнал в момент времени t0, а на приемник этот сигнал пришел в момент времени t0 + τ, и надо определить т. Для этого на спутнике и в приемнике должны быть часы, строго синхронизированные друг с другом. Сигнал спутника содержит временную метку, передаваемую каждые несколько секунд. В метке "записан" момент ее ухода со спутника, определенный по часам спутника. Приемник "считывает" временную метку и фиксирует момент ее прихода по своим часам. Разность между моментами ухода метки со спутника и прихода ее на антенну приемника представляет собой искомый интервал времени τ.

На самом деле синхронность часов не соблюдается. На спутнике устанавливаются эталоны частоты (а следовательно, и времени) с относительной нестабильностью 10-12...10-13. Иметь в каждом приемнике подобные эталоны невозможно, там ставят обычные кварцевые часы с нестабильностью порядка 10-8 . Появляется неизвестная величина Δч — разность показаний часов спутника и приемника, искажающая результат определения дальности. По этой причине полученные из измерений дальности называют псевдодальностями. Как по ним определяют координаты, расскажем ниже.

Системы GPS и ГЛОНАСС состоят из трех секторов (рис. 3).

Космический сектор — совокупность спутниковой системы, часто называемая "созвездием" или "орбитальной группировкой". Полное созвездие состоит из 24 спутников. В GPS они расположены в шести орбитальных плоскостях, развернутых через 60°, а в ГЛОНАСС — в трех плоскостях через 120°. Почти все круговые орбиты имеют высоту около 20 000 км, период обращения близок к 12 часам.

Сектор управления и контроля включает станции слежения, службу точного времени, главную станцию с вычислительным центром и станции загрузки информации на спутники. Станции слежения определяют эфемериды (элементы орбиты) спутников и вычисляют их координаты. Информация передается на спутники загружающими станциями и затем транслируется на приемники.

Сектор пользователя — это спутниковые приемники, число которых не ограничено, и камеральный комплекс обработки измерений ("постобработки", выполняемой после полевых наблюдений).

Спутниковый сигнал. Сигналы излучаются со спутника на двух несущих частотах L1 и L2. Они подвергнуты фазовой манипуляции (ФМ) — переброске фазы несущей на 180° в моменты времени, задаваемые дальномерны-ми двоичными кодами. Переброска фазы соответствует смене в кодах 0 на 1 или 1 на 0.

Дальномерные коды представляют собой такое чередование символов (нулей и единиц), что в ней невозможно заметить какой-либо закономерности, но через некоторые интервалы времени они периодически повторяются с точностью до каждого символа. Подобные процессы называются псевдослучайными последовательностями (ПСП) — они и образуют псевдослучайные коды.

Кодов используется два: один — для "грубых", другой — для "точных" измерений. У них существенно разный период повторения (длительность кода). Так, в GPS грубый код, называемый С/А-кодом (от слов Coarse Aquisition — легко обнаруживаемый, общедоступный), повторяется каждую миллисекунду, а длительность точного кода, называемого Р-кодом (Precision — точный), составляет 266,4 суток. Общая длительность Р-кода разбита на недельные отрезки, распределенные по всем спутникам системы, т. е. Р-код каждого спутника меняется через неделю. Если С/А-код доступен всем пользователям, то Р-код изначально предназначался только для имеющих санкционированный доступ (в основном для американских военных). Сейчас, однако, доступ к Р-коду имеют приемники практически всех пользователей.

В системе ГЛОНАСС аналогичная ситуация, разница только в названиях: грубый код называется СТ-кодом (стандартной точности), а точный — ВТ-кодом (высокой точности). Однако между GPS и ГЛОНАСС есть принципиальное различие, относящееся к использованию кодов. В GPS как С/А-код, так и Р-код различны для каждого спутника при одинаковых несущих частотах L1 и L2, в ГЛОНАСС же, наоборот, коды СТ и ВТ всех спутников одинаковы, но различны несущие частоты. Другими словами, в GPS применено кодовое, а в ГЛОНАСС — частотное разделение сигналов спутников.

Грубым кодом манипулируется несущая L1, а точным кодом — обе несущих L1 и L2. В спутниковый сигнал также "встраивается" вся передаваемая со спутника информация, образующая навигационное сообщение — метки времени, данные об эфемеридах спутника, различные поправочные величины, альманах (сборник данных о местонахождении каждого из спутников системы и состоянии его "здоровья") и др. Она также преобразуется в двоичный код, которым манипулируются обе несущих. Частота следования символов навигационного сообщения — 50 Гц. Общая схема формирования спутникового сигнала в GPS показана на рис. 4.

Современные спутниковые приемники могут работать в двух основных режимах, получивших названия кодовых и фазовых измерений.

Кодовые измерения называют также абсолютными, так как они позволяют определить непосредственно координаты пунктов X, Y, Z в геоцентрической (т.е. с началом в центре масс Земли) прямоугольной системе координат, а режим кодовых измерений называют навигационным. При кодовых измерениях определяется время распространения ФМ сигнала от спутника до приемника, включающее задержку в атмосфере и относительную поправку часов Δtч.

Измерения осуществляются корреляционным методом. В приемнике формируется точно такая же ПСП, как и на спутнике. Этот местный код и принятый от спутника сигнал подаются на коррелятор, переворачивающий фазу сигнала на 180° в моменты смены символов местного кода. Задержка местного кода относительно спутникового принудительно изменяется до полного совпадения кодов. В этот момент на выходе коррелятора манипуляция снимается и мощность сигнала резко возрастает (что соответствует максимуму корреляционной функции). Потребовавшаяся задержка соответствует времени распространения сигнала.

Таким способом можно измерить задержку только в пределах длительности кода (его периода повторения), которая для грубого кода составляет 1мс. Интересующее же нас время распространения тр намного больше. За 1 мс радиоволна проходит 300 км, и число целых миллисекунд во времени распространения определяется по приближенному значению расстояния, которое надо знать с точностью до 150 км. При использовании точного кода такой проблемы не возникает, так как его длительность больше времени распространения τр .

Определив τр и умножив его на скорость света в вакууме, получают псевдодальность Р, связанную с геометрической дальностью р соотношением Р = р + cΔtaтм + cΔtч, где cΔtaтм — задержка сигнала в атмосфере (которая может быть определена с той или иной степенью точности); с — скорость света в вакууме. В этом соотношении неизвестными являются р и Δtч. Но геометрическое расстояние р между спутником и приемником может быть выражено через их координаты. Поскольку координаты спутника известны из навигационного сообщения, то р содержит три неизвестные координаты приемника X, Y, Z и в уравнении для Р фактически содержится четыре неизвестные — X, Y, Z и At, . Выполнив одновременно измерения до четырех спутников, получают систему четырех уравнений с четырьмя неизвестными, из решения которой и находят искомые координаты приемника. Одновременность необходима для сохранения постоянства величины Δtч.

Точность кодовых измерений существенно увеличивается применением дифференциального метода с использованием двух приемников, один из которых (базовый) устанавливается на пункте с известными координатами и непрерывно работает в Р-коде. Измеренные им псевдодальности сравнивают с "эталонными", вычисленными по координатам. Получаемые разности, или дифференциальные поправки, передают на подвижный приемник для коррекции измерений. Дифференциальный метод дает точность до нескольких дециметров.

Фазовые измерения выполняются с двумя приемниками и представляют собой относительные измерения, при которых определяются не сами координаты приемников, а разности их одноименных координат. Режим фазовых измерений называют геодезическим, так как он обеспечивает гораздо лучшую точность, чем навигационный режим кодовых измерений.

В этом случае измеряется не время распространения сигнала от спутника до приемника, а сдвиг фазы колебаний несущей частоты за это время. Однако из измерений мы можем получить не полный фазовый сдвиг φSR = 2 N + Δφ , «набегающий» на расстоянии от спутника S до приемника R, а только его дробную часть Δφ, меньшую 2π. Неизвестное число полных фазовых циклов N — это количество целых длин волн, укладывающихся на расстоянии от спутника до приемника. Поскольку расстояние велико (20 000 км), а длина волны мала (20 см), N получается порядка 100 миллионов, а определить его нужно совершенно точно: ошибка на единицу даст погрешность в дальности на 20 см. Разработаны способы решения этой задачи, в которых главную роль играет математическая обработка результатов измерений, осуществляемая программно.

Из фазовых измерений получают фазовые псевдодальности, в которых величина Δtч имеет несколько другую трактовку. Если при кодовых измерениях она отражает несинхронность хода часов спутника и приемника, то при фазовых она является следствием несинфазности колебаний опорных генераторов спутника и приемника, которую мы обозначим через бф. Разумеется, Δtч и δφ жестко связаны друг с другом: δφ = 2πf •Δtч.

Для исключения δφ достаточно выполнить измерения по двум спутникам. Величину δφ можно представить как δφS - δφR (т. е. разностью начальных фаз колебаний генераторов на спутнике и в приемнике). Если выполнить наблюдения одного спутника одновременно двумя разнесенными приемниками, в разности результатов исключается величина δφS для наблюдаемого спутника. Если выполнить теми же приемниками наблюдение второго спутника, в разности исключается величина δφS для этого второго спутника. Если теперь составить разность разностей — так называемую вторую разность, исключается величина δφR для обоих приемников. Способ вторых разностей является основным при высокоточных геодезических измерениях.

Вторая разность фазовых псевдодальностей содержит в себе координаты двух спутников 1 и 2 и двух приемников А и В. Обозначим ее Р12 . Если выполнить на пунктах Аи В измерения фазовых псевдодальностей до четырех спутников, можно составить три независимых уравнения: для Р12 , P13 и Р14, в которых в качестве неизвестных будут выступать три разности одноименных координат пунктов А и В: (ХА - ХB), (YА - YB), (ZА - ZB). Решение такой системы уравнений позволяет найти длину базы АВ, а если один из приемников поместить в пункт с известными координатами (что и делают), то по полученным разностям легко находятся координаты второго пункта.

Чтобы производить фазовые измерения на несущих частотах, надо освободить их от кодовой модуляции. Это достигается квадратированием приходящего от спутника сигнала (умножением на самого себя), в результате чего изменение фазы на 180° превращается в изменение на 360°, т. е. фазовая манипуляция снимается и восстанавливается несущая (с удвоенной частотой).

Фазовые измерения обеспечивают точность на сантиметровом, а в отдельных случаях и на миллиметровом уровне.

Рамки статьи не позволяют осветить многие интересные подробности, но надеемся, что читатель получил общее представление о достижениях новой современной науки — геотроники.

Вернуться к содержанию журнала "Радио" 11 номер 2002 год







Рекомендуемый контент




Copyright © 2010-2017 housea.ru. Контакты: info@housea.ru При использовании материалов веб-сайта Домашнее Радио, гиперссылка на источник обязательна.