Введение. Спутниковые методы в геодезии (стр. 12 )

Указанные программные продукты, как правило, включают главную программу, управляющую модулями, выполняющие следующие процессы:

- планирование сеансов наблюдений или доступности спутников (см. раздел 4.3.4),

- работу с проектами,

- пересылку данных,

- редактирование данных,

- обработку базовых линий,

- обзор сети,

- преобразование координат,

- уравнивание геодезической сети,

- вывод результатов обработки.

Ряд программных комплексов дополнительно имеют возможности настройки на различные единицы измерения расстояний, температуры и давления.

Обработка данных обычно начинается с создания проекта, связанного с конкретным объектом работ (геодезической сетью). Для каждого проекта вводятся соответствующие реквизиты в базе данных программы, отводится область компьютерной памяти. Допускаются модификации проектов, архивирование и восстановление, удаление.

Ввод результатов измерений проект возможна из приемника, из его накопителя, с карточки памяти, из переведенного ранее файла данных. Файлы измерений в приемнике или на карточке памяти обычно хранятся в собственном формате фирмы. Разработка формата независимого обмена данными измерений между приемниками разных фирм (RINEX-формат) привела к обязательному включению в программы опций RINEX-экспорта и RINEX-импорта данных. В проект могут вводиться не только результаты полевых измерений, но и результаты полевой обработки измерений, сделанных в реальном времени. Некоторые программы допускают обмен файлами решений базовых линии либо в формате фирмы-разработчика, либо в едином формате SINEX (Solution Independent Exchange – независимый обмен решениями).

Для передачи данных из приемника в компьютер необходимо настраивать протокол связи. Его параметрами являются:

- скорость передачи данных в бодах (1 бод = 1 бит/с), применяются скорости 110, 300, 600, 1200, 2400, 4800, 9600, 19200, 38400, 57600 и 115200 бод;

- биты данных, указывающие число бит на символ; используются варианты 5, 7 и 8;

- биты останова, указывающие число бит, которые передаются в конце каждого символа;

- паритет, указывающий тип контролируемой ошибки, используемой для каждого символа. При передаче данных используются паритеты Even, Odd, Mark, Space, None.

В процессе пересылки файлов измерений в базу данных проекта может производиться объединение файлов, разорванных по какой-либо причине, например из-за перерыва в питании, а также сверка с данными полевого журнала и возможное редактирование некоторой части данных. Обычно допускаются исправления в названиях пунктов и элементах приведения, в частности в высоте антенны, а также в метеоданных. Если некоторая ошибка будет обнаружена после обработки базовых линий, то исправление этой ошибки приведет к удалению той части обработанных базовых линий, где были использованы ошибочные данные, и возможно, что некоторую часть обработки придется повторять.

5.1.2. Процессор базовых линий

Один из наиболее ответственных модулей программы обработки GPS-наблюдений является процессор базовых линий (ПБЛ). Процессор базовых линий имеет своей целью вычисление точных трехмерных векторов между станциями по результатам полевых кодовых и фазовых GPS-измерений, выполненных с использованием статических, быстростатических или кинематических методов сбора данных.

Алгоритмом оценивания обычно является обобщенный метод наименьших квадратов (МНК) в параметрической форме. Для его реализации используются нелинейные и линеаризованные модели кодовых и фазовых измерений. Вектор оцениваемых параметров включает группу основных неизвестных – компоненты базовых линий, и дополнительных параметров – начальные целочисленные неоднозначности, параметры согласования шкал приемников и системного времени, и другие параметры, зависящие от теорий и методов, положенных в основу ПБЛ.

Ведущие фирмы-производители спутниковой аппаратуры уделяют первостепенное внимание таким качествам ПБЛ, как надежность, быстрота разрешения неоднозначностей по малому объему данных, автоматической настройке на оптимальный режим обработки, и т. п. На рынке появляются все более совершенные версии ПБЛ. Они различаются по выбору стратегии разрешения неоднозначностей, заложенным критериям математической статистики, предельной длине базовых линий, возможностям отбора независимых базовых линий и многим другим параметрам.

Процессор базовых линий программных комплексов GPSurvey и Trimble Geomatics Office – WAVE (Weighted Ambiguity Vector Estimator) – предоставляет возможность, как автоматической обработки, так и настройки процесса обработки с помощью параметров управления для достижения наилучших результатов. Модуль WAVE, произведя начальный анализ подлежащих обработке данных, принимает разумные решения о том, какие значения по умолчанию должны использоваться. В результате, в большинстве случаев, требуется лишь незначительная настройка процесса обработки. Дополнительные параметры управления программой всегда доступны, однако необходимо понимать, стоит ли менять конкретные параметры обработки [120].

Обработка данных полевых измерений в системе Wild GPS System 200 и последующих моделях фазовой аппаратуры выполняется с помощью фирменного программного обеспечения SKI (Static and Kinematic) [113]. Все данные размещаются в базе данных программы SKI. Оператор не должен заботиться об именах и структурах файлов базы - это функции системы управления. Программа SKI (версии 2.0 и выше) работает в среде Windows в качестве ее приложения, и этот стандарт реализован в интерфейсе пользователя SKI. В модуле FARA (Fast ambiguity research approach – быстрое приближение к разрешению неоднозначности), предназначенном для вычисления базовых линий из сеансов фазовых и кодовых измерений, реализован эффективный алгоритм поиска наилучшей комбинации целых начальных неоднозначностей фазовых отсчетов. SKI является программным обеспечением, для обработки большого числа базисных линий, которые измерены в различных режимах работы. При этом возможно объединение в одном проекте данных, полученных в статических или различных кинематических режимах. Программное обеспечение учитывает это автоматически и обеспечивает координатами все наблюдаемые точки.

Процессоры базовых линий некоторых фирм (Ashtech, Javad) допускают совместную обработку фазовых измерений спутников GPS и ГЛОНАСС.

Входными данными для ПБЛ являются файлы данных из приемника, структура и количество которых для разных фирм-изготовителей и даже для разных версий аппаратуры может значительно различаться. Отличаются данные также для систем ГЛОНАСС и NAVSTAR. Общие исходные данные:

- эпоха наблюдений – год, месяц, день, час, минута, секунда – момент времени к которому относится передаваемый альманах и параметры орбиты спутника;

- предварительные координаты станции - аппроксимированные, вычисляемые приемником по имеющимся наблюдениям;

- номера спутников – SV(i) – номер спутника в системе;

- параметры ионосферы – параметры модели для расчета ионосферной задержки ai и bi (i = 0, …, 3) – эти величины используются для исключения ионосферных задержек при вычислении вектора пространственного положения определяемого пункта;

- параметры часов спутника – поправка часов, ход часов, вариации хода часов;

- параметры орбиты спутника в кеплеровых элементах или в прямоугольных координатах;

- непосредственные измерения - в зависимости от типов измерений отражаются полученная по кодам псевдодальность (метры), по фазам - сумма целой и дробной фаз (в циклах).

Помимо параметров получаемых из файлов, в процессе вычислений могут вводиться следующие величины:

- координаты пункта наблюдений – X, Y, Z (в метрах) - прямоугольные координаты или B, L, H – геодезическая широта, геодезическая долгота и высота над эллипсоидом в общеземной системе WGS-84, ПЗ-90 или ITRF,

- высота антенны HI или элементы центрировки E, N, U (в метрах),

- угол отсечки по высоте – Elevation Mask (в градусах дуги) – параметр используется для удаления из обработки измерений низких спутников, в большей степени зашумленных влиянием атмосферы;

- номера включаемых в обработку спутников – SV(i) – некоторые спутники могут иметь большое количество потерь счета циклов на одной или на обеих частотах, и появляется необходимость в их исключении;

- моменты начала и конца, включаемого в обработку периода измерений – Тн и Тк. Изменение продолжительности обрабатываемого сеанса может быть вызвано различными причинами, в том числе удалением части измерений с плохой геометрией, или необходимостью выделения независимых базовых линий;

- вид измерений - изменение возможно, например, из двухчастотных измерений на одночастотные, или из кодо-фазовых на кодовые;

- вид решения - решение по двойным, тройным разностям;

- выбор модели учета ионосферы – для базовых линий небольшой протяженности можно использовать, без вреда качеству вычислений, стандартную модель ионосферы;

- возможность использования метеорологических данных – помимо файлов навигации и наблюдений имеются файлы метеорологических параметров тропосферы, где дается сухая температура, давление и относительная влажность.

При обработке вычислитель должен учесть две особенности построения GPS-сетей.

1. Для достижения боле высокой точности и согласованность результатов необходимо обеспечивать так называемый процесс «подсева» координат. Суть его заключается в правильной организации передачи координат ко всем точкам сети от одной исходной точки (начала сети), координаты которой в геоцентрической системе априорно известны. Передача координат происходит по цепочке базовых линий. Для вычисления каждой следующей базовой линии координаты начала должны быть известны. При правильной передаче координат все базовые линии будут получены в одной системе относимости, определяемой координатами начала сети. Чем выше класс сети, тем точнее должны определяться координаты начала сети.

2. Если в обрабатываемом сеансе участвовали более двух приемников, то есть альтернатива между обработкой отдельных базовых линий, всех независимых или всех возможных базовых линий. Для R приемников независимых линий будет R-1 от общего числа R(R-1)/2. Наиболее подходящей стратегией была бы такая: вначале базовые линии обрабатываются как отдельные, выявляются проблемные случаи, например, неразрешение неоднозначностей, и определяются наиболее приемлемые параметры обработки. Затем выполняется совместная обработка R-1 независимых базовых линий, в результате которой формируется полная ковариационная матрица решения, учитывающая корреляционные связи между линиями. Наличие полной ковариационной матрицы повышает точность и адекватность последующего уравнивания сети.

5.1.3. Виды решений

Процессоры базовых линий обычно обеспечивают несколько видов решений для базовых линий.

При обработке одночастотных измерений в качестве измеряемого параметра используется фаза на частоте L1. Предполагается, что базовые линии короткие, обычно в пределах 15 – 20 км, и влияние разностей в тропосферных и ионосферных поправках невелико. Последовательно получаются следующие решения:

- решение по кодовым псевдодальностям, в котором получается вектор базовой линии в первом приближении;

- решение по тройным разностям, в котором вектор базовой линии определяется с точностью около одного метра. По результатам этого решения исключаются потери счета циклов и производится отбраковка грубых измерений;

- плавающее решение по двойным разностям, в котором проверяется правильность исправления срывов циклов, находятся неоднозначности фазовых отсчетов в виде вещественных, не целых чисел, и определяется вектор базовой линии с точностью в пределах 20 см,

- фиксированное решение по двойным разностям (формальное разрешение неоднозначности), в котором делается попытка определения неоднозначностей в виде целых чисел. Если уровень доверия к точности выше 95%, то неоднозначности в большинстве случаев разрешены корректно, и базовая линия определяется с сантиметровым уровнем точности.

Двухчастотные измерения позволяют достичь более высокую точность и на больших расстояниях, чем одночастотные измерения, прежде всего из-за открывающейся возможности точного учета ионосферной задержки. Она исключается при образовании линейной комбинации фаз, называемой свободной от ионосферы. В двухчастотной обработке ослабляется влияние солнечных вспышек и магнитных бурь и усиливается решение для длинных базовых линий, на концах которых заметно различие в состоянии ионосферы. Влияние ионосферы в большей степени проявляется в полярных и экваториальных областях Земли, в средних широтах оно меньше.

Другое преимущество двухчастотных измерений заключается в возможности получения разностной (широкополосной) комбинации фаз. Эта комбинация особенно эффективна, когда измеряются псевдодальности по точному коду и фазы на полной длине волны. Тогда эффективная длина волны разностной комбинации фаз равна примерно 86 см. Если в приемнике применяется техника квадратирования сигнала, то на первой частоте измеряется фаза на полной длине волны, а на второй частоте – на половинной длине волны. Разностная комбинация таких фаз эквивалентна измерениям на волне 34 см. Высокий уровень шума на второй частоте и меньшая эффективная длина волны затрудняют уверенное разрешение неоднозначностей в такой аппаратуре. Недостаток решений по разностной комбинации фаз в том, что при большой длине волны при неправильном разрешении неоднозначностей ошибка также будет больше.

Возможен следующий порядок обработки двухчастотных измерений:

- решение по тройным разностям с определением срывов циклов и грубых измерений;

- плавающее решение по двойным разностям широкополосной комбинации фаз с определением неоднозначностей широкополосной фазы в виде вещественных чисел;

- фиксированное решение по двойным разностям широкополосной комбинации с оценкой уровня доверия к решению;

- если разрешение неоднозначностей выполнено успешно, то окончательное решение производится по двойным разностям ионосферно-свободной комбинации фаз и ему присваивается тип фиксированного решения. Если уровень доверия к разрешению неоднозначностей не превзойден, то решению присваивается тип плавающего решения, т. е. без разрешения неоднозначности фазовых отсчетов.

5.1.4. Анализ качества решений базовых линий

Разработчики процессоров базовых линий указывают на ряд показателей, характеризующих качество определения компонент векторов базовых линий. Универсальных показателей правильности решения нет, и авторы программ часто справедливо напоминают, что выполнение всех критериев качества не гарантирует правильности решения.

Прежде всего, это тип окончательного решения. Лучшим типом решения для одночастотных измерений являются фиксированное по двойным разностям, для двухчастотных измерений – фиксированное по двойным разностям ионосферно-свободной комбинации фаз. Плавающие решения, как правило, приемлемы для средних базовых линий, в десятки и сотни километров длиной. Погрешности таких решений обычно больше половины длины волны, т. е. 10 см.

При расстояниях между пунктами в 20-30 км средние квадратические ошибки длины вектора базовой линии и его компонент в общеземной или локальной геодезической системах обычно находятся в пределах 1 – 2 мм. К средней квадратической ошибке очень близка ошибка rms. Полезную информацию о погрешностях дает ковариационная матрица. Однако, эти данные характеризуют точность лишь по внутренней сходимости.

Объем отвергнутых измерений, по мнению разработчиков ПБЛ, не должен превышать 10 % от всего объема данных.

В связи с тем, что для системы уравнений поправок находится несколько наборов целочисленных неоднозначностей, выбор лучшего из них производится на основании F-теста или Ratio. В этом исследовании соответствующие каждому набору дисперсии располагаются в порядке возрастания и берется отношение дисперсии второго претендента на решение к дисперсии первого претендента на решение т. е. к наименьшей из всех дисперсий:

. (5.1)

Полагая, что лучшему решению соответствует минимальная дисперсия, обычно при Ratio > 1.5 с вероятностью 95 % ПБЛ присваивает ему тип фиксированного решения. Если Ratio£1.5, то первому претенденту на решение присваивается тип плавающего решения.

Тест на относительную дисперсию Reference Variance (RV) проверяет соответствие апостериорной и априорной дисперсий:

(5.2)

Относительная дисперсия является индикатором того, насколько хорошо наблюдалась базовая линия. Эта величина не имеет размерности, иногда ее называют коэффициентом дисперсии или дисперсией единицы веса. Она показывает, насколько полученные данные соответствуют тому, что ожидалось получить. Априорная дисперсия рассчитывается на основе предсказания о нормальном уровне ошибок в измерениях (уровне шумов). Если предположения о суммарном влиянии ошибок оправдалось то RV=1. При RV<1 можно утверждать, что данные получены более качественные, чем ожидалось, при RV>1 - ожидания не оправдались. Для одночастотных статических измерений нормальное значение относительной дисперсии может быть около 4, а для кинематических съемок, когда положение выводится из 1 – 2 эпох, Reference Variance может быть порядка 5 – 6 и более.

Высокое Reference Variance и низкое Ratio могут быть следствием ряда причин:

- наличием потерь счета циклов в фазовых данных, вызванных препятствиями, например, деревьями, данными от спутников вблизи горизонта, ионосферными возмущениями,

- значительной многопутностью,

- немоделируемыми систематическими ошибками, особенно при одночастотных измерениях на линиях длиннее 15-20 км, где могут быть проблемы с учетом ионосферной рефракции,

- неправильный выбор фиксированного решения.

Линия в 30 км, измеренная одночастотными приемниками, может иметь относительную дисперсию от 10 до 20 из-за влияния ионосферы. Линия в 1 км, измеренная в режиме быстрой статике в 5-минутном сеансе, может иметь высокую относительную дисперсию из-за многопутности. Наблюдения двухчастотной аппаратурой небольших базовых линий (до 10 км) дают относительную дисперсию 0.8-1.0, если на обоих концах линии отсутствуют препятствия. Если на одном конце находится 4-х метровая пирамида из металлического уголка, относительная дисперсия возрастает до 2 – 4 , если пирамиды на обоих концах, - то до 6 – 8. Несмотря на то, что сигналы не имеют потерь счета циклов, возникающая из-за ног пирамиды многопутность ухудшает качество измерений [6].

Ошибки элементов приведения, ошибки фазового центра не сказываются на качественных характеристиках решения базовой линии, они выявляются при вычислении невязок в замкнутых фигурах. В каждой фигуре можно получить невязки wX, wY, wZ или wE, wN, wU по каждой из координат как сумму соответствующих приращений, которая теоретически должна равняться нулю:

, (5.3)

где k – число сторон в замкнутой фигуре.

По координатным невязкам можно получить полную невязку w:

(5.4)

и сравнить ее с допустимой невязкой wдоп.:

. (5.5)

Ошибки DD, DH определяются на основании паспортных данных или устанавливаются на основании инструкций для данного вида работ. С вероятностью 95% должно выполняться условие:

. (5.6)

Преимущество контроля по невязкам очевидно: здесь осуществляется не только контроль решения базовой линии, но и ошибки оператора. Большие невязки wE, wN свидетельствуют о грубом центрировании антенны, а большая невязка wH –о промахе при измерении высоты. Недостаток метода контроля по невязкам состоит в невозможности контролировать смещенные решения базовых линий. Один из источников таких решений – ошибки в априорных координатах начала базовой линии будет обсуждаться в следующем разделе.

В статье [12] дается формула средней квадратической ошибки измерения одной разности координат по невязкам фигур всей сети:

. (5.7)

В этой формуле в числителе должна быть сумма квадратов полных невязок из n замкнутых фигур, а в знаменателе – сумма числа сторон во всех фигурах.

Важную информацию для анализа решения могут дать графики остаточных невязок уравнений наблюдений.

5.1.5. Приемы обработки для усиления решений базовых линий

Геодезиста не всегда устраивают результаты счета, даваемые ПБЛ. Иногда это касается слабых статистических оценок в фиксированном решении. Но наибольшего внимания оператора требует плавающее решение на коротких и средних базовых линиях. Главной причиной, которая приводит к неразрешению целочисленных неоднозначностей начальных фазовых отсчетов, является повышенный уровень ошибок (шумов) в измерениях или в некоторой части исходных данных. Их причины неоднократно указывались ранее, и поэтому здесь мы ограничимся только перечнем возможных мер, как правило предоставляемых обработчику фирменной программой.

1. Удаление из обработки спутников с короткими дугами. Эти спутники, только что вошедшие в зону видимости или уходящие из нее, имеют высоту, близкую к углу отсечки, и результаты их измерений в наибольшей степени подвержены возмущениям атмосферы. Эта мера равносильна удалению из обработки неизвестных, обеспеченных малым объемом измерений. Однако стоит проверить, не приведет ли удаление спутника из обработки к фатальному изменению геометрических факторов.

2. Увеличение угла отсечки по высоте. Эта мера аналогична предыдущей, но касается удаления наиболее шумной части данных у всех спутников, имеющих низкое отношение сигнал/шум.

3. Удаление из обработки спутников с большим количеством потерь (срывов) циклов. Потери циклов чаще всего происходят из-за каких-либо препятствий, например, деревьев, а где препятствия – там и многопутность. Нужно заметить, что не всегда наличие препятствий приводит к потерям циклов, но это определенно искажает данные.

4. Переход от двухчастотной обработки к одночастотной. Сигнал на второй частоте, особенно у приемников с квадратурной обработкой сигнала, имеет отношение сигнал/шум ниже, чем на первой частоте. Это не является лучшим решением, так как приводит к увеличению влияния ионосферы, и оправдано лишь на коротких базовых линиях.

5. Обработка с точными априорными координатами начала базовой линии. Иногда помогает при большом числе потерь циклов.

6. Обработка с точными эфемеридами.

7. Обработка по другой программе. Известно, что в программах различных фирм заложены различные приемы разрешения неоднозначностей, и нередко бывает, что по одной программе получается плавающее решение, а по другой выводится фиксированное решение с прекрасными характеристиками.

5.1.6. Использование продуктов деятельности

Международной геодинамической службы

Международная геодинамическая GPS служба (МГС) является международной научной службой, которая официально начала действовать с 1 января 1994 г. после нескольких лет исследований и опытно-поисковых работ. МГС собирает, архивирует и распределяет данные наблюдений GPS-приемниками и использует их для расчета высокоточных эфемерид спутников СРНС, параметров вращения Земли (совместно с МСВЗ), координат и скоростей станций слежения МГС в системах ITRF. МГС сообщает данные о часах станций слежения и спутников СРНС, а также информацию об ионосфере. МГС состоит из сети станций наблюдений, Центров данных, Центров анализа, Координатора анализа, Центрального бюро и Руководящего совета [91].

Точность продуктов МГС достаточна для поддержки текущих научных целей, включая реализацию систем координат ITRF, мониторинг вращения Земли и деформации ее твердой и жидкой компонент (табл. 5.1). Все продукты МГС (измерения, эфемериды, координаты станций, и т. п.) доступны по сети Интернет.

Наблюдения на станциях МГС выполняются двухчастотными фазовыми приемниками с регистрацией P(Y)-кодовых псевдодальностей с интервалом 30 с.

Таблица 5.1

Продукты деятельности Международной геодинамической службы

№№ п. п.	Вид информации	Точность данных	Латенция	Обновление
	1	Эфемериды спутников GPS и время: предсказанные (ультра-быстрые) быстрые окончательные	25 см/7 нс 5 см/0.2 нс < 5 см/0.1 нс	реальн. время 17 часов »13 суток	2 раза в сутки ежесуточно еженедельно
	2	Эфемериды спутников ГЛОНАСС (окончательные данные)	30 см	4 недели	еженедельно
	3	Параметры вращения Земли (xп., yп / LOD): быстрые данные окончательные данные	(0.2²/0.03s)×10-3 (0.1²/0.02s)×10-3	17 часов »13 суток	ежесуточно ежесуточно
	4	Координаты станций в ITRF (в плане / по высоте); Скорости движений в ITRF (в плане / по высоте)	. 3 мм / 6 мм 2 / 3 мм за год	12 суток 12 суток	еженедельно еженедельно
	5	Тропосферная зенитная задержка на каждые два часа	4 мм	4 недели	еженедельно

Результаты измерений хранятся в RINEX-формате. Сокращение RINEX расшифровывается как Receiver Independent Exchange - формат для независмого обмена данными между GPS-приемниками [116, 123]. Необходимость иметь способ обмена данными, полученными разными приемниками была высказана в 1989 г. во время проведения эксперимента EUREF-89, когда в наблюдениях участвовало 60 приемников 4 фирм. В пользу применения такого формата говорит состав набора данных, записываемых в файл измерений:

- фазы несущей на одной или двух частотах,

- кодовые псевдодальности по C/A и P-коду,

- время наблюдений (отсчеты по часам приемника),

- информация о станции (название, тип антенны, ее высота, метеоданные и т. п.).

Пропущенный через программу RINEX-экспорта файл измерений из фирменного представления данных распадается на ASCII-файлы 4-х типов, доступные для чтения программами обработки, имеющими опцию RINEX-импорта:

- файлы данных наблюдений (obs-файлы),

- файл навигационного сообщения NAVSTAR (GPS Nav),

- файл метеорологических данных (met-файлы),

- файл навигационного сообщения ГЛОНАСС (GLO Nav).

Каждый тип файла распознается по имени (табл. 5.2).

Во избежание неопределенности и путаницы в данных RINEX-формат дает строгие определения для наблюдаемых параметров. Приведем некоторые определения.

Таблица 5.2

Типы RINEX-файлов

Операцион-ная система.	Т и п ы ф а й л о в
	Obs	GPS Nav	GLO Nav	Met
Unix	ssssdddf. yyO. Z	Ssssdddf. yyN. Z	Ssssdddf. yyG. Z	ssssdddf. yyM. Z
VMS	ssssdddf. yyO_Z	Ssssdddf. yyN_Z	Ssssdddf. yyG_Z	ssssdddf. yyM_Z
DOS	ssssdddf. yyY	Ssssdddf. yyX	Ssssdddf. yyV	ssssdddf. yyW

Обозначения: