ПР-1 GPS-технологии

ПРАКТИЧЕСКАЯ РАБОТА №1

по курсу «GPS- технологии»

групп Ф и ИП-4

Тема. Спутниковая аппаратура исполнителей для выполнения топографо-геодезических и ее комплектность.

Цель. Изучить типы и потенциальные возможности спутниковой аппаратуры, освоить методику выбора спутниковой аппаратуры для выполнения конкретных работ, научится определять её минимальную комплектность.

Содержание работы.

1. Изучить типы и потенциальные возможности спутниковых приемников и антенн (космические, воздушные, наземные, морские; кодовые, кодово-фазовые, фазовые; навигационные, топографические, геодезические; модульные, моноблочные, ОЕМ-поставки; односистемные G, двухсистемные G+G; одночастотные L1, двухчастотные L1+ L2).

2. Выбрать тип и модель спутниковой аппаратуры в зависимости от способа и требуемой точности определения координат для выполнения конкретных работ (согласно варианта), определить ее минимальную комплектность, режим выполнения спутниковых измерений (статика, быстрая статика, кинематика в режиме реального времени). Выбор типа и модели спутниковой аппаратуры обосновать (там, где это необходимо, выполнить расчет требуемой точности и плотности геодезической основы).

3. Составить контрольный список оборудования и приборов, необходимых для выполнения спутниковых измерений (по форме приведённой в приложении): спутниковая аппаратура и другое вспомогательное оборудование, если оно необходимо (внешний стандарт частоты, автоматизированную метеостанцию, модемы для передачи информации, контроллер, штативы, вешки, оптические центриры, переходники, рулетки, зарядное устройство, элементы питания, компьютер с программным обеспечением и т. д.).

4. Показать на рисунке основные элементы выбранной спутниковой аппаратуры.

Бюджет времени: 4 часа аудиторных занятий и 4 часа самостоятельных занятий.

Требование к оформлению работы.

Работа должна быть оформлена на одной стороне не более 4 сшитых стандартных листов белой бумаги формата А4, размером 210х297 и содержать: титульный лист и текстовую часть. На титульном листе обязательно указывается наименование учебного заведения, института, специальность, номер практической работы и ее тема, номер варианта и выполняемая работа, фамилия студента и подгруппа, фамилия преподавателя. В текстовой части обязательно указывается цель и содержание работы, обоснование выбора типа и модели спутниковой аппаратуры, минимальная комплектность спутниковой аппаратуры и её количество для выполнения работ (согласно варианта).

Зачет практической работы.

Практическая работа оформляется и сдается в плановый срок (см. пункт Бюджет времени). Если работа сдается с нарушением сроков либо содержит ошибки, то данная Практическая работа должна быть исправлена и защищена в течение семестра. Защита осуществляется в форме письменного ответа на контрольные вопросы по материалам соответствующих лекций и практических занятий.

Методические указания.

В настоящее время существуют сотни различных типов и моделей спутниковой аппаратуры. Разработчики постоянно совершенствуют спутниковые приемники и антенны. Они становятся все более совершенными, быстродействующими, легкими, компактными и дешевыми. Уменьшается их энергопотребление, улучшается невосприимчивость к помехам.

Аппаратура потребителей различается по целевому назначению, конструктивному исполнению, функциональным возможностям, по принимаемому сигналу и наблюдаемым спутниковым системам, методу отслеживания спутников, точности, стоимости и другим техническим параметрам.

Весьма условно, можно выделить следующие типы спутниковой аппаратуры:

По наблюдаемым СРНС

Односистемная спутниковая аппаратура

К односистемной спутниковой аппаратуре следует относить спутниковые приемники и антенны способные принимать спутниковые сигналы, от какой либо одной СРНС. Например, NAVSTAR - GPS (США) или ГЛОНАСС (Россия). Разработчики в технических характеристиках на спутниковую аппаратуру указывают СРНС сигналы, которых принимает и обрабатывает данная аппаратура. Отдельные фирмы указывают СРНС в названии модели приемника. Например, фирма TOPCON выпускает односистемный приемник Legasy HGD (символ H обозначает укороченный корпус, символ G обозначает СРНС GPS, а символ D обозначает измерение изменения частоты за счет эффекта Доплера).

Двухсистемная спутниковая аппаратура

Двухсистемная спутниковая аппаратура принимает и обрабатывает сигнал от двух СРНС. Например, GPS и ГЛОНАСС, GPS и GALILEO (Евросоюз). Фирма Javad выпускает двухсистемный приемник Legasy GGD (первый символ G обозначает СРНС GPS, второй ГЛОНАСС). Двухсистемная спутниковая аппаратура имеет большее число каналов и способна отслеживать большее количество спутников. Например, двухсистемный приемник Legasy GGD имеет 40 каналов (20 каналов для спутников GPS и 20 каналов для спутников ГЛОНАСС. Для выполнения спутниковых измерений на пунктах ФАГС (Фундаментальная астрономогеодезическая сеть), ВГС (Высокоточная геодезическая сеть) и постоянно действующих станциях (ПДС) используется только двухсистемная или мультисистемная спутниковая аппаратура.

Мультисистемная спутниковая аппаратура

Мультисистемная спутниковая аппаратура принимает и обрабатывает сигнал более чем от двух ГНСС (Глобальная Навигационная Спутниковая Система) GPS, ГЛОНАСС, GALILEO, COMPASS (Китай) и может отслеживать спутники различных Региональных Навигационных спутниковых систем QZSS (Япония), Beidou (Китай), IRNSS (Индия) и т. д.

По используемым несущим частотам

Одночастотная спутниковая аппаратура

Одночастотная спутниковая аппаратура может обеспечить миллиметровую точность определения компонент базовой линии при синхронных измерениях двумя приемниками фазы несущих частот какой либо СРНС (L1 - GPS или ГЛОНАСС, Е1 - GALILEO). Однако для достижения данной точности, длинна базовой линии не должна быть более 20 км. При длине базовой линии менее 10 км одночастотные приемники обеспечивают такие же результаты, как и двухчастотные приемники, поскольку ионосферная рефракция исключается при вычитании измерений фазы между пунктами базовой линии.

Двухчастотная спутниковая аппаратура

Наблюдения на двух частотах значительно ослабляют влияние ионосферы и обеспечивают более быстрые (примерно в 1.5 раза) и надежные результаты точного учета ионосферной задержки. Разработчики в технических характеристиках перечисляют используемые несущие частоты и если указано L1+ L2 или L1, L2, то такая спутниковая аппаратура является двухчастотной.

Мультичастотная спутниковая аппаратура

К Мультичастотной спутниковой аппаратуре следует отнести современные спутниковые приемники, которые используют более двух несущих частот. Например,

GPS: L1, L2, L2С и L5. ГЛОНАСС: L1, L2, L3 (спутники ГЛОНАСС-К). Galileo: E1, E5b, E5a и т. д.

По доступности спутниковой аппаратуры

Военная

Военные приемники недоступны для гражданских пользователей и могут принимать точный код (Р-код основной частоты 10.23 МГц) на двух несущих частотах L₁ и L₂. Такая спутниковая аппаратура имеет более высокую точность и надежность определения координат, чем общедоступная. Любой военнослужащий США однозначно определяет свои координаты не грубее 50см. В силу особенности Р-кода измеренные псевдодальности свободны от ошибок неоднозначности. По конструктивному исполнению данная аппаратура имеет высокую степень надежности и работоспособности. Аппаратура военных потребителей допускает использование дополнительных мер защиты от помех, таких как пространственная селекция адаптивными антенными решетками, оптимальное комплексирование с инерциальными и другими навигационными системами. Кроме того, их отличает повышенная надежность и малое время до первого отсчета.

Общедоступная

Общедоступная спутниковая аппаратура предназначена в основном для наземной навигации. Как правило такая аппаратура принимает дальномерный С/А код (частота 1.023 МГц). С использованием С/А кода определяются временные задержки распространения сигнала от спутников до приемников. Стоимость таких приемников составляет 20-1000$. Приемники общего пользования, обычно имеют жидкокристаллический дисплей и цифровой выход через порт RS-232 для связи с компьютером. Такая спутниковая аппаратура имеет малые габариты и вес. По конструктивному исполнению данная аппаратура может быть встроенной в автомобили, и оснащена набором навигационных карт. У таких приемников, как правило, имеется встроенная спутниковая антенна.

Специальная

Для использования специальной аппаратуры требуется ее регистрация в соответствующих службах. Специальные GPS приемники используются для приема и расшифровки GPS сигналов и представления результатов пользователю в приемлемой форме. Характеристики приемника зависят от применения, для которого он был запроектирован. Приемники, предназначенные для коммерческих авиалиний, обычно должны иметь порт данных для интегрирования с системой воздушной навигации и будут способны вычислять относительную скорость по принимаемой информации.

По решаемым задачам

Навигационные приемник

Навигационные приемники наиболее простые и дешевые. Они обеспечивают определение координат в абсолютном режиме, в реальном времени. Они могут быть одно- и многоканальными, одно- и двухчастотными, работающими по GPS или ГЛОНАСС'у, или по обеим системам. Они обеспечивают данными невысокой точности, порядка 10-15 м в лучшем случае. Эти приемники характеризуются малыми размерами и портативностью, питаются от батарей и имеют встроенный дисплей. Дисплей обычно на жидких кристаллах, имеет низкое потребление питания и может быть либо буквенно-цифровым, либо графическим. Некоторые из этих приемников могут иметь возможность выводить на дисплей авиационные или морские карты с карт данных. Антенна может быть внешней для установки вне средства передвижения. Приемники для навигации автомобилей, информационных систем дорожных средств и управления парками дорожных средств.

Эти приемники устанавливаются на автомашинах, грузовиках, на поездах. Назначение приемников может изменяться в зависимости от применения, но характеристики будут подобными. Приемники, используемые на автомашинах, служат для навигации шофером или для отсылки сообщения в службу спасения (при несчастном случае). GPS приемники, используемые в автобусах, грузовиках и на поездах, предназначаются, главным образом, для отслеживания диспетчерскими службами.

Топографические приемники служат для составления карт и сбор данных о местности. Навигационно-топографические приемники обычно имеют точность на уровне от 10 м до 1 дм при расстояниях до 50 - 500 км, что достигается дифференциальным режимом работы. Они могут быть кодовыми и кодо-фазовыми. Последние имеют более высокую точность, но ограничены по дальности. Такие приемники оптимальны для сбора данных и пересылки их во внешнюю базу данных. Они часто объединяют умеренную точность автономных определений с возможностью ее повышения дифференциальным методом до 1 м. Их можно использовать вместе с компьютером для сбора и обработки данных. В такие компьютеры можно заранее загружать библиотеку с описанием особенностей объектов съемки, тогда оператору остается выбирать из библиотеки подходящий тип объекта, положение которого определяется. Такие приемники можно нести в руках, у них малые батареи, а антенна крепится к рюкзаку за спиной.

Геодезические приемники. Такие приемники предназначены для высокоточных измерений. Такие приемники должны иметь антенны для установки на штативе и иметь возможность переключать питание в процессе работы.

Постоянно повышающаяся точность аппаратуры стирает грань между навигационно-топографической аппаратурой и чисто геодезической. Фазовые приемники отличаются по числу каналов, они могут быть одно- и двухчастотными, а также работающими по одной или двум СНС. Двухчастотные фазовые приемники наиболее полно обеспечивают все разнообразие возможностей спутниковой аппаратуры и дают наиболее точные результаты на расстояниях до нескольких тысяч километров. Наличие двух частот обеспечивает точный учет влияния ионосферы. Одночастотные фазовые приемники более простые и менее точные, их область применения – создание сетей сгущения и опорномежевых сетей, создание съемочного обоснования, координирование опознаков, съемка и т. д.

Приемники для определения и хранения времени.

Эти приемники позволяют определять время с точностью до наносекунды за счет сравнения собственной шкалы времени, основанной на работе сравнительно дешевых кварцевых или рубидиевых генераторов, со шкалой времени спутников, определяя временную задержку по своему точному положению и орбите спутника.

По месту выполняемых измерений

Космические приемники. Эти приемники используются на спутниках, как для навигации, так и для определения ориентировки. Они могут быть защищенными от излучений и иметь специальные программы, позволяющие им работать на высоких скоростях, вызванных орбитальным движением космического аппарата.

Авиационные приемники. Эти приемники оптимизированы для применения в авиационной навигации и могут выводить на дисплей навигационные карты. Эти приемники обычно работают совместно с другой аппаратурой воздушного судна (авионикой). Их точность изменяется в зависимости от класса воздушных судов, на которых прибор планируется использовать.

Морские приемники. Эти приемники предназначены для навигации на море, у них есть возможность выводить на экран морские карты и соединяться с другим навигационным оборудованием.

По принимаемому сигналу

кодовые, кодово-фазовые, фазовые;

Кодовые приемники. Эти приемники определяют положение, обрабатывая информацию, содержащуюся в коде, который передается спутниками. Преимущество этого метода в его низкой стоимости. Недостатком является сравнительно низкая точность – порядка 5 м или хуже. Данные приемники измеряют временную задержку распространения сигнала от спутника.

Кодово-фазовые приемники. В отличии от кодовых приемников они дополнительно определяют дальность до спутников с учетом числа уложений целых длин волн 19 и 34 см.

Фазовые приемники. Эти приемники определяют положение путем обработки измерений фазы несущей волны, наблюдаемой в течение некоторого времени. У них не нужно декодировать переданную информацию, за исключением данных о положениях спутников. Некоторые такие приемники не имеют возможности принимать коды вообще, в этом случае приемник должен предварительно загружаться данными из другого источника. Преимущество этого метода – его высокая точность. Такие приемники могут обеспечивать сантиметровый уровень точности даже в реальном времени, когда используются дифференциальные поправки. Недостаток – их высокая стоимость.

По конструктивному исполнению

Модульные приемники. Эти приемники имеют отдельные модули: внешняя антенна, блок питания и т. д.

Моноблочные приемники. Эти приемники имеют один корпус содержащий как правило все элементы спутниковой аппаратуры

OEM (Original Equipment Manufacturer – Оригинальное оборудование изготовителя). Такие приемники предназначены для установки на другом оборудовании. Они поступают от изготовителя как стойка с клавиатурой или модуль, без дисплея.

По методу отслеживания спутников

- непрерывно наблюдающие приемники,

- медленные последовательные приемники,

- быстрые последовательные приемники.

Непрерывно наблюдающие приемники, называемые также многоканальными, отслеживают 4 или более спутников непрерывно, каждый канал наблюдает выделенный ему спутник от начала до конца. Это дает непрерывный доступ к навигационному сообщению, принимаемому от каждого спутника. Непрерывные приемники более дорогие, чем два альтернативных типа, но они проще по концепции и могут успешно работать в высокодинамичных военных условиях.

Медленные последовательные приемники, называемые также приемниками с распределением времени отслеживают спутники последовательно, задерживаясь на каждом на 1 - 2 с перед переходом на следующий спутник. Чтобы собрать по каждому спутнику по меньшей мере один 30-секундный кадр с потоком данных, он вынужден периодически прерывать последовательность обработки.

Быстрый последовательный априемник, называемый также мультиплексным приемником, отсслеживает 4 или более спутников последовательно, но он задерживается на каждом спутнике на чрезвычайно короткий интервал. Если, например, такой приемник переключается между 4 разными спутниками, то он может на каждом задерживаться на 1/200с. Таким образом он возвращается к каждому спуcтнику точно в момент захвата следующего бита в его потоке данных, идущих со скоростью 50 бит/с. Таким образом быстрый последовательный приемник получает постоянный доступ ко всему потоку данных от всех четырех спутников.

Литература.

1. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. В 2 т. Т.1. Монография / К.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. – 334 с.

2. Антонович К.М. Навигационно-топографическая GPS-система PATHFINDER. Практикум для студентов геодезических специальностей. Ч.1. Новосибирск, СГГА, 1995 г.-44 с.

3. GARMIN GPS 76. Руководство пользователя.

4. Trimble 5700. Руководство пользователя.

5. Trimble 4600. Руководство пользователя.

6. TOPCON LEGACY-E. Руководство пользователя.

7. Руководство по созданию и реконструкции городских геодезических сетей с ис­пользованием спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS. ГКИНП (ОНТА) – 01-271-03. М., ЦНИИГАиК, 2003 г.

8. Конспекты лекций по курсу «GPS- технологии».

9. Проспекты ведущих производителей спутниковой аппаратуры garmin, trimble, topcon, javad, ashtech (папка в компьютерном классе D:\ User\Спутниковая аппаратура).

10. Интернет ресурсы: garmin.com, trimble.com, topcon.com, javad.com, ashtech.com.

© Яхман В.В., 2012

Приложение

Контрольный список оборудования и приборов

для выполнения спутниковых измерений

№ п.п.	Наименование оборудования и приборов	Количество	Примечание
1	2	3	4
1	Двухчастотный спутниковый приёмник Trimble 5700	2	Рюкзак для переноски
2	Штатив ШР-160, деревянный	2
3	Трегер	2
4	Оптический центрир	2
…	……………………………………………………	…………………..	………………
n	Рулетка 3м	2

Составил / /

Проверил / /

Варианты практической работы:

1. Определение на местности местоположения пунктов при выполнении работ по обследованию и рекогносцировке.

2. Определение координат пунктов в болотисто-таежной местности с погрешностью взаимного положения не более 1м в условиях разряженной геодезической основы (базовые линии 100-150 км).

3. Определение координат пунктов спутниковой геодезической сети с погрешностью взаимного положения не более 2 см (базовые линии не более 10 км).

4. Выполнение работ по созданию съемочного обоснования на застроенной территории для крупномасштабной съемки 1:2000.

5. Определение координат планово-высотных опознаков для съемки масштаба 1:5000.

6. Определение координат пунктов спутниковой геодезической сети с погрешностью взаимного положения не более 1-2 см (базовые линии 20-30 км).

7. Выполнение работ по созданию съемочного обоснования и крупномасштабной съемки 1:1000.

8. Определение своего местоположения в процессе движения на автотранспорте.

9. Определение координат межевых знаков относительно ближайших пунктов городской геодезической сети со средней квадратической погрешностью 5 см.

10. Создание спутниковой геодезической сети 1 класса (СГС-1) со средней квадратической погрешностью взаимного положения пунктов 1-2 см.

11. Создание спутниковой городской геодезической сети 1 класса (СГГС-1) со средней квадратической погрешностью взаимного положения пунктов 1-2 см.

12. Определение координат точек фотографирования при аэрофотосъемке с погрешностью не грубее 60 см.

13. Выполнение кадастровой съемки в масштабе 1:500.

14. Определения координат точек в труднопроходимой местности с погрешностью не грубее 5 м.

15. Выбор спутниковой аппаратуры для проверки приема сигналов от спутников

16. Определение координат планово-высотных опознаков для съемки в масштабе 1:2000.

17. Выполнение контрольных измерений между пунктами триангуляции 2 класса со средней квадратической погрешностью 1-2 см.

18. Выполнение полевого дешифрирования по снимкам масштаба 1:7000.

19. Выполнение работ по привязке космических снимков масштаба 1:25000

Вопросы к защите практической работы

1. Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от места спутниковых измерений.

2. Можно ли использовать наземную спутниковую аппаратуру для определения координат точек фотографирования при аэрофотосъемке.

3. Можно ли использовать наземную спутниковую аппаратуру для определения координат при съемке шельфа.

4. Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от вида принимаемого сигналов.

5. Какова аппаратурная точность кодовой спутниковой аппаратуры.

6. Какова аппаратурная точность кодово-фазовой спутниковой аппаратуры.

7. Какова аппаратурная точность фазовой спутниковой аппаратуры.

8. Какова точность навигационных спутниковых приемников.

9. Чем отличается топографическая спутниковая аппаратура от геодезической.

10. Чем отличается модульная спутниковая аппаратура от моноблочной.

11. Чем отличается одночастотная спутниковая аппаратура от двухчастотной.

12. Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от решаемых задач и требуемой точности определения координат.

13. Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от используемых СРНС.

14. Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от используемых несущих частот.

15. Типы спутниковой аппаратуры в зависимости от конструктивного исполнения спутниковой аппаратуры.

16. Режимы выполнения спутниковых измерений при использовании относительного способа определения координат.

17. Выполнения спутниковых измерений в режиме статика.

18. Выполнения спутниковых измерений в режиме быстрая статика.

19. Выполнения спутниковых измерений в режиме кинематика.

20. Выполнения спутниковых измерений в режиме кинематика реального времени.

21. Выполнения спутниковых измерений в режиме стою-иду.

22. Каковы ограничения на применение одночастотной спутниковой аппаратуры.

23. Что такое абсолютный способ определения координат.

24. Что такое дифференциальный способ определения координат.

25. Что такое относительный способ определения координат.

26. Минимальное количество спутниковых приемников при определении координат абсолютным способом.

27. Минимальное количество спутниковых приемников при определении координат относительным способом.