Введение. Спутниковые методы в геодезии (стр. 5 )

Стратосфера –характеризуется постоянным значением коэффициента преломления радиоволн, практически равным 1, вплоть до высоты около 80км.

3.8.2.Влияние ионосферы

Солнечное излучение ионизирует верхние слои атмосферы, что сопровождается появлением свободных положительно и отрицательно заряженных частиц – ионов и электронов. Под воздействием радиоволн, излучаемых спутниками GPS, заряженные частицы приходят в вынужденное колебательное движение. Путь и скорость волн изменяются. Наибольшее воздействие на этот процесс оказывают электроны.  Для радиоволн такая среда становится диспергирующей. В ней скорость распространения зависит от длины волны.

В диспергирующих средах различают фазовую и групповую скорости волн. Фазовая скорость характеризует скорость распространения фазы волны. В ионосфере фазовая скорость, определяется зависимостью показателя преломления от частоты колебаний, и равна

(3.59)

где c - скорость волн в вакууме, Ne - число электронов в м3, f - частота в Гц. С фазовой скоростью распространяются немодулированные несущие волны f1 и f2.

Кодовые сигналы передаются путем модуляции несущих волн, в результате, спектр модулированного сигнала состоит из большого числа спектральных составляющих с различными частотами. Каждая составляющая спектра кодовых сигналов распространяется со своей фазовой скоростью, зависящей от ее частоты. В таких случаях говорят о групповой скорости. Групповая скорость характеризует скорость переноса энергии группой волн. Для ионосферы справедливо соотношение:

(3.60)

Отсюда для фазовой и групповой скоростей имеем:

(3.61)

Из этих формул следует, что измеряемые расстояния r при фазовых и кодовых измерениях будут искажены на одинаковые по модулю, но противоположные по знаку величины.

Концентрация электронов зависит от угла возвышения спутника, географического местоположения, времени суток, года и активности Солнца. В средних широтах искажения могут достигать десятков метров. В среднем они равны 10 м. Для конкретного сеанса измерений ионосферные погрешности являются медленноменяющимися и сильнокоррелированными.

Влияние ионосферы на распространение сигналов от спутника к потребителю можно представить в виде [34]:

, (3.62)

где – вертикальная интегральная электронная концентрация TEC (Total

Electron Content);

f – несущая частота сигнала в Гц;

d - угол места КА в градусах.

Величина Iv может принимать значения около [34]. Важным является то, что ионосферные искажения зависят от квадрата частоты: их величину можно регулировать выбором длины волны. Так, основная несущая волна L1 в ГЛОНАСС и GPS в десять раз короче, чем в системах первого поколения. Поэтому в современных системах выбором длин радиоволн влияние ионосферы уменьшено практически в сто раз. В измерения, выполненные на одной частоте, вносят поправки за искажения в ионосфере.

На частоте 1.6 ГГц в зависимости от времени суток, угла места ионосферные задержки принимают значения 2 ...150 м. Поэтому необходимо более тщательное определение ионосферной задержки.

В настоящее время предложены следующие методы:

- двухчастотные измерения;

- избыточные одночастотные измерения;

- учет задержек на основе моделирования трассы распространения сигналов.

Несущие сигналы, распространяясь от спутника к приемнику, преломляются в слоях ионосферы. Неоднородное состояние ионосферы в пространстве и времени приводит к значительному рассеянию радиоволн в дневное время суток, ухудшающему отношение сигнал/шум, флуктуациям амплитуд и фаз радиосигналов особенно сильно проявляющееся во время геомагнитных бурь, вызванных увеличением солнечной активностью.

Метод избыточных измерений возможен при одновременных измерениях по сигналам пяти и более спутников. С этой целью получают систему вида

, (3.63)

состоящую из пяти и более уравнений с пятью неизвестными: x, y, z, ; величины вычисляются по данным, заложенным в служебной информации.

Однако методика не дает эффективных результатов в одночастотной аппаратуре потребителя, так как электронная концентрация изменяется от времени суток и года, потока солнечной активности, географического местоположения (широты), скорости движения спутника, точки наблюдения и др. При средних значениях ночью и днем в период солнечной активности может достигать значений , что соответствует величинам задержек »м. Создание адекватной модели, которая учитывала бы изменения – достаточно сложная задача. Наиболее удовлетворительна методика прогнозирования, разработанная Klobuchar.

Метод моделирования трассы радиосигналов (метод Klobuchar) основан на описании задержки как суточной функции, учитывающей модель геомагнитной широты , и коэффициентов и , отображающих изменения ионосферы и передаваемых в навигационном сообщении. Выражение ионосферной задержки на частоте = 1575 МГц *) описывается как [34]

(3.64)

где безразмерный фактор наклона:

F= c×16 (0.53p-d)3; (3.65)

;

– коэффициенты передаваемые потребителю с КА, описывающие многопараметрическую модель ионосферы, и обновляющиеся через каждые 5 суток передачей информации с главной контрольной станции КА;

– геомагнитная широта ионосферной точки сигналов спутников:

(3.66)

где и – подионосферные широта и долгота в радианах;

, – геодезические координаты пункта приемника (широта и долгота);

– азимут i спутника;

Y - центральный земной угол между точкой приема и точко максимума ТЕС на трассе КА – объект в радианах:

. (3.67)

Модель Klobuchar не обеспечивает достаточную точность, простоту, минимальное время вычисления и малый объем памяти.

Двухчастотный метод основан на исключении погрешностей, обусловленных ионосферной задержкой. Зависимость искажений от частот позволяет исключать их измерением на двух частотах. Из измеренных псевдодальностей на двух частотах и , получают “чистую” псевдодальность, свободную от погрешностей

, (3.68)

где - псевдодальность между i спутником и приемником A наблюдателя, измерен - ная на частоте ;

- псевдодальность между i спутником и приемником A наблюдателя, измеренная на частоте .

Метод наиболее точный и позволяет достигать миллиметровой точности. Однако, погрешности измерений значительно возрастают из-за погрешности ионосферных возмущений, оказывающих случайные и систематические искажения. Причины искажений, оценка их влияния на точность измерений рассмотрены ниже [74].

4. ТЕХНОЛОГИЯ РАБОТ СО СПУТНИКОВОЙ АППАРАТУРОЙ

4.1. Съемки с использованием спутниковой аппаратуры

4.1.1. Методы определений координат с применением

ГЛОНАСС/GPS-технологий

Определение координат по спутникам навигационных систем выполняются абсолютными, дифференциальными и относительными методами. В каждом из этих методов определение координат может производиться по измерениям псевдодальностей и/или фазы несущих колебаний. В абсолютном методе координаты поучаются одним приемником в единой системе координат, носителями которой являются станции подсистемы контроля и управления и, следовательно, спутники навигационной системы. При этом реализуется метод засечки положения приемника от известных положений космических аппаратов (КА). Часто это метод называют также точечным позиционированием. В дифференциальном и относительном методах наблюдения производят не менее двух приемников, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами, а второй совмещен с определяемым объектом. В дифференциальном методе по результатом наблюдений на опорном пункте отыскиваются поправки к соответствующим параметрам наблюдений или координатам для неизвестного пункта. Этот метод обеспечивает мгновенные решения, обычно называемые как решения в реальном времени, в которых достигается улучшенная точность по отношению к опорной станции. В противоположность дифференциальному методу, в относительном методе наблюдения, сделанные одновременно на опорном и определяемом пунктах, при обработке объединяются непосредственно. Это значительно повышает точность решений, но исключает мгновенные решения. В относительном методе определяется вектор, соединяющий опорный и определяемый пункты, называемый вектором базовой линии.

Наблюдения в реальном времени (абсолютные или дифференциальные) предполагают, что полученное положение будет доступно непосредственно на месте позиционирования, пока наблюдатель находится на станции. В отличие от работы в реальном времени, пост-обработка предполагает получение результатов после ухода с пункта наблюдений.

Точность абсолютного метода позиционирования по кодовым измерениям, как правило, невысокая, в пределах от 10 до 100 м и грубее, в зависимости от типа аппаратуры, продолжительности наблюдений и величины геометрического фактора. Несмотря на невысокую точность абсолютных определений, она достаточна не только для навигации, но и для съемок в масштабах 1:100000 и более мелких, например, для топографо-геодезического обеспечения геолого-разведочных работ [22].

Точность дифференциального и относительного методов значительно выше, чем у абсолютного метода и может достигать сантиметрового и даже более высокого уровня. Однако следует обратить внимание на два момента. Во-первых, поскольку в этих методах координаты неизвестных пунктов находятся относительно опорного пункта, то погрешности его координат полностью войдут в координаты определяемых пунктов. Кроме того, поскольку в относительном методе координаты опорного пункта используются для вычисления приращений координат, то его ошибки также будут влиять на точность определения компонент базовых линий.

В каждом из методов наблюдения возможны в режимах статики и кинематики. При статических наблюдениях приемник находится в стационарном положении относительно Земли, в то время как кинематика предполагает движение. Поэтому потеря захвата сигнала спутника для статического позиционирования не является настолько важной, как при кинематическом позиционировании. Статическое позиционирование позволяет накапливать данные, тем самым добиваясь повышения точности. Статическое относительное позиционирование по фазовым измерениям является наиболее точным методом определения и наиболее часто используется геодезистами. Преимуществом кинематического позиционирования является его возможность получать траекторию движения транспортного средства, на котором установлена спутниковая аппаратура. При относительном кинематическом позиционировании один из приемников является стационарным, а другой - движущимся. Оба приемника наблюдают одни и те же спутники, а при обработке может достигаться точность сантиметрового уровня.

Техника фазовых наблюдений значительно сложнее техники кодовых измерений. Влияет, в первую очередь, необходимость обеспечения измерений непрерывной фазы несущей. При наблюдениях кодовым приемником каждое измерение производится независимо от остальных. Потеря захвата какого-либо спутника, как правило, не влияет на полноту остальных данных. Поэтому в принципе можно ограничиться однократным фиксированием координат, если удовлетворяет их точность. При фазовых измерениях

Таблица 4.1

Характеристики точности дифференциального и относительного методов определения координат (по книге [93])

№№ п. п.	Метод измерений	Тип аппаратуры	Длина (км)	Продолж. сеанса	Тип эфе-мерид	Программ. обеспеч.	Точность
1	Дифференц. GPS	кодовая	до 500	Неск. минут	бортовые	коммерчес-кое	1-5 м
2	WADGPS	кодовая	по земн. шару	неск. минут	- " -	- " -	1 м
3	Фазовый, 1) статика	фазовая одночастот.	до 50	15 мин.-1час	- " -	- " -	2мм+10-5D
4	Кинематика	- " -	до 5	неск. сек.	- " -	- " -	2мм+5×10-6D
5	Кинематика, с иниц. OTF	- " -	до 5	до неск. мин.	- " -	- " -	2мм+4×10-6D
6	Кинематика, с иниц. OTF	фазовая, двухчастот.	до 10	до неск. мин.	- " -	- " -	2мм+3×10-6D
7	Быстрая статика	фазовая, одночастот.	до 7	неск. мин. на точку	- " -	- " -	2мм+2×10-6D
8	Быстрая статика	фазовая, двухчастот.	до 20	неск. мин. на точку	- " -	- " -	2мм+2×10-6D
9	Статика	фазовая, одночастот.	до 15	45 мин. на точку	- " -	- " -	2мм+2×10-6D
10	Статика	двухчас-тотная	1 1	от 1до 4 часов	бортовые точные	- " - - " -	2мм+2×10-6D 2мм+2×10-7D
11	Статика	фазовая, двухчастот.	до 2000	от неск. часов до неск. суток	точные	специальн. коммерч., научное	до 10-8D
12	Статика, мировая сеть	фазовая, двухчастот.	-	непре-рывно	точные или вычисля-ются	Научное (Bernese, GAMIT, GIPSY)	до 1 см в геоцентрических координатах

Примечания: 1) фазовая статика без разрешения целочисленной неоднозначности фазы.