1.4.3 Спутниковые технологии
Спутниковая система навигации — комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности наземного и космического оборудования, предназначенная для определения местоположения (географических координат и высоты), а также параметров движения (скорости и направления движения и т. д.) для наземных, водных и воздушных объектов.[6]
В настоящее время используются две спутниковые системы для определения координат пунктов и приращений координат: российская система ГЛОНАСС (ГЛОбальная Навигационная Спутниковая Система) и американская система NAWSTAR GPS (навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования).
В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно “покрывающих” всю земную поверхность
(рисунок 4).
Рисунок 4 – Сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ) GPS NAWSTAR
Современная система в полной комплектации должна состоять из 21 действующего ИСЗ и трех запасных. Для ГЛОНАСС круговые орбиты ИСЗ расположены в трех орбитальных плоскостях, для NAWSTAR в шести.Каждый спутник оснащен двумя солнечными батареями площадью 7.2 кв. м каждая.
Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить. В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность “спутник -приемник” (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ.[6]
После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.
В состав системы входят три основных компонента – это созвездие ИСЗ (космический сегмент); сеть наземных станций слежения и управления спутниками (сегмент управления); сегмент пользователя - навигационная аппаратура потребителей .
Рассмотрим подробнее каждый из этих сегментов на примере системы GPS.
Космический сегмент систем состоит из 26 спутников (21 основной и 5 запасных), которые обращаются на 6 орбитах. Плоскости орбит спутников наклонены на угол около 55 град. к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60 град. по долготе. Радиусы орбит - около 26 тыс. км, а период обращения - половина звездных суток (примерно 11 ч. 58 мин.). На борту каждого спутника имеется 4 стандарта частоты (два цезиевых и два рубидиевых - для целей резервирования), солнечные батареи, двигатели корректировки орбит, приемо-передающая аппаратура, компьютер.
Сегмент управления содержит главную станцию управления (авиабаза Фалькон в шт. Колорадо), пять станций слежения, расположенных на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн и Колорадо- Спрингс и три станции закладки:острова Вознесения, Диего - Гарсия, Кваджелейн. Кроме того, имеется сеть государственных и частных станций слежения за ИСЗ, которые выполняют наблюдения для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения спутников.
Аппаратура потребителей Используемый в GPS-приемнике способ синхронизации сигналов является едва ли не важнейшей его характеристикой. Сложная структура сигнала, передаваемого от ИСЗ к приемнику, обусловила многообразие способов его обработки и наблюдений.
На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.[6]
Инструментальная ошибка приемника обусловлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1.2 м.
Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах λ1 и λ2 (в двухчастотных приемниках). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содержат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с использованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.
Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.[6]
Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки. Типичное среднее значение PDOP колеблется от 3 до 5.
Одним из вариантов координатных определений в геодезической сети (ГС) является создание сети базовых станций (диспетчерских пунктов), расположенных равномерно на обслуживаемой территории (создание проекта на данный город район и т.п., который включает в себя как исходные геодезические пункты с известными координатами, так и добавочные пункты сгущения). Однако, следует заметить, что при создании ГС целесообразно использовать не менее трех спутниковых приемников. В идеальном случае, когда число приемников совпадает с числом пунктов, участвующих в измерениях, наблюдения выполняются за один сеанс. На практике число сеансов включений зависит от конфигурации сети и числа используемых приемников.
Время стояния на пункте зависит от нескольких факторов:
расстояния между пунктами. Чем больше расстояние, тем больше времени необходимо стоять;
состояние окружающей среды. Количество препятствий, закрывающих небо. Некоторые препятствия могут блокировать прием сигналов, тем самым, увеличивают время стояния на пункте, для достижения хорошей точности. Большое количество препятствий помешает GPS приемнику получить хорошие результаты;
состояние группировки спутников. Это относится к положению спутников, движущихся вокруг Земли. При неудовлетворительной спутниковой конфигурации (все спутники расположены в одной части неба), будет трудно получить точные координаты.[6]
Некоторые объекты, например здания, будут полностью препятствовать прохождению сигналов. Таким образом, приемник GPS нельзя использовать в закрытых помещениях. По этой же причине приемники GPS нельзя использовать в туннелях или под водой. Другие объекты, такие, как деревья, будут частично препятствовать прохождению сигнала, преломляя или отражая его. В густых лесах приём сигналов GPS будет затруднен. В некоторых случаях, такого сигнала достаточно для получения приблизительного местоположения. Но практически во всех случаях, такой сигнал не достаточно чёткий для получения сантиметрового решения. Таким образом, можно сказать, что приемник GPS неэффективен при работе в густом лесу.[6]
На сегодняшний момент, в любой точке земного шара, в любое время суток и года доступны 7-10 спутников GPS. При проведении геодезической съемки не является обязательным наличие такого количества спутников. Точные и достоверные координаты местоположения можно определить даже при наличии 5 спутников, геометрически правильно размещённых на небесной сфере. Соответственно, съёмку местности, имеющую некоторые препятствия, можно осуществить, если имеется, по крайней мере, 5 спутников. Поэтому систему GPS можно применять при работе возле лесов или рядом со зданием, но только в том случае, если остаётся видимой значительная часть небесной сферы, так, чтобы было, по крайней мере, видно 5 спутников (рисунок 5)
Рисунок 5 Эффективность применения спутниковых приемников