Материал: Лекція_5_Супутникові методи визначення координат

прогноз, а також збільшити термін функціонування супутників. Проєкт запуску 24 супутників системи ГЛОНАСС здійснено в Росії важкими ракетами «Протон».

Технічні параметри системи NAVSTAR/GPS та ГЛОНАСС є різними. Істотною різницею цих систем є те, що в системі GPS усі супутники випромінюють коливання однакових частот, а в системі ГЛОНАСС кожен супутник випромінює свою частоту. Вивчається можливість одночасного використання обох систем для визначення положення наземних пунктів. Такі дослідження дуже важливі, оскільки дозволять використати для визначення пунктів більшу кількість супутників (в обох системах понад сорок ШСЗ), не кажучи вже про те, що сигнали ГЛОНАСС не спотворюються і тому ця система дає можливість отримувати більш високу точність.

Країни Європейського Союзу планують створити свою, незалежну від США, глобальну навігаційну систему.

У США, для заміни супутників, які припинили своє функціонування, починаючи з 1995 р. виводять на орбіти нові супутники кораблями «Шатл». Хронометрами (основними генераторами) таких супутників є водневі лазери, стабілізація частот яких на порядок вища, від генераторів попередніх супутників, і становить 10-13. До того ж ці супутники мають засоби міжсупутникового зв'язку, які, завдяки обміну даними між супутниками та вимірюванню віддалей між ними, проводять автономне уточнення параметрів орбіт та автономну синхронізацію годинників.

Передавачі всіх супутників безперервно випромінюють коливання двох частот. Частоти модельовані кодами. Крім вимірювальних сигналів, передавачі передають інформацію про свою орбіту, а також про стан інших супутників системи і параметри їх орбіт. Супутники мають також приймачі, які приймають сигнали від основної станції сегменту керування. Ці сигнали містять інформацію про орбіту супутників. Траєкторії супутників можна коректувати з основної наземної станції керування.

Сегмент керування. Сегмент являє собою мережу наземних станцій спостереження за ШСЗ і центрів обробки інформації. Головним завданням сегменту є стеження за супутниками з метою визначення траєкторій ШСЗ та похибок годинників на їх борту. Крім того, через систему керування здійснюється синхронізація годинників та оновлення даних.

Цей сегмент складається з:

•головного центра керування МСS (Маsteг Сопtrоl Stаtіоn), що знаходиться в місті Соlоrаdо Sрrіngs;

•основної станції керування GPS (Ground Control Station), що розташована на Гавайськнх островах;

•трьох стаціонарних станцій контролю (Моnіtоr Stаtіоn). Вони знаходяться на островах Вознесіння (Аsсеnsіоn) в північній частині Атлантичного океану, Дієго-Гарсія в Індійському океані та Кваджалейн в північній частині Тихого океану;

•рухомих контрольних станцій.

Станції сегменту керування знаходяться на великих віддалях між собою. Вони безперервно приймають коливання, які випромінюють супутники, що знаходяться в одній півкулі зі станцією. Віддалі від станцій до супутників

6

визначають через півтори секундні інтервали часу. Віддалі усереднюються для інтервалів часу 15хв. Крім того, на станціях керування виконуються метеорологічні зондування атмосфери по вертикалі з метою визначення поправок за тропосферу. Результати опрацювання сигналів супутників та вертикального зондування із контрольних станцій передаються до головного центру керування. Тут обчислюють ефемериди орбіт супутників та рівняння їх хронометрів (генераторів ШСЗ) на 12 годин наперед. Ці дані передаються на ШСЗ, а вони, у свою чергу, пересилають їх користувачам, точніше – на наземні приймачі користувачів системою GPS. Військово-картографічному агентству США підпорядковано ще п'ять станцій стеження, дані яких використовують для обчислення високоточних ефемерид супутників. Крім перелічених станцій на планеті Земля ще працюють приватні станції стеження за ШСЗ. Ці станції не керують роботою супутників, а виконують уточнення параметрів їх орбіт та рівнянь хронометрів (генераторів) супутників.

Сегмент користувача. Це власники приймачів сигналів ШСЗ, програмного забезпечення та комп'ютерів. Кількість приймачів системи є необмеженою, оскільки вони пасивні.

Для геодезичних вимірювань кожний споживач повинен мати мінімум два приймачі з антенами, комп'ютер та програмне забезпечення для відповідних геодезичних робіт.

Приймачі, які використовують геодезисти, виготовляє декілька фірм. Найвідоміші з них: Тrіmblе, Аshtесh (США), Lеіса (Швейцарія), Sеrсеl (Франція), Sоkіа (Японія). Кожна з фірм виготовляє декілька моделей, різних за точністю та ціною. Усі приймачі за кількістю частот, на яких вони здатні працювати, поділяють на дві великі групи:

•одночастотні;

•двочастотні.

З назв цих приймачів зрозуміло, що перші приймають від супутників тільки одну частоту, а другі – дві частоти. Останні дають більшу точність, тому, що приймання двох частот дозволяє враховувати вплив іоносфери.

Будова приймачів, методика спостережень та опрацювання результатів спостережень весь час удосконалюється, а точність визначення положення пунктів на поверхні Землі підвищується. Найточніші способи визначення положення спочатку були призначені тільки для військових цілей.

Сегмент користувача являє собою множину GPS-приймачів. За способом вимірювання віддалей GPS-приймачі радіосигналів із супутника можна розділити на такі групи:

1)С/А-кодові з використанням псевдовіддалей;

2)С/А-кодові з вимірюванням фази передавальної хвилі;

3)Р-кодові з вимірюванням фази передавальної хвилі;

4)У-кодові з вимірюванням фази передавальної хвилі.

За великої різноманітності приймачів на сучасному ринку доцільно описати їх основні типи, а також принципи побудови, переваги і недоліки.

За можливостями одночасного приймання сигналів приймачі можна також розділити на дві великі групи.

У першій будуть приймачі, які працюють за принципом послідовного, тобто, почергового стеження за супутниками робочого сузір'я.

7

У другій – ті, які відстежують 4 або більше супутників одночасно, тобто паралельно. Усередині кожної із цих груп існує велика різноманітність приймачів різного призначення.

Одночастотні приймачі з малим енергоспоживанням. Ці пристрої проєктуються як портативні і тому, зазвичай, працюють на батарейках. Для обмеження споживання енергії вони виконують визначення координат один раз на хвилину, і потім самостійно вимикаються до наступного визначення.

Для індивідуального використання туристами або під час плавання на невеликих суднах такі приймачі є найкращим компасом, їх точність в більшості випадків вища, ніж точність системи Lоrаn, і працюють вони в будь-якій точці Земної кулі.

Їх основні недоліки – це низька, в порівнянні з іншими приймачами, точність, обмежені інтерфейсні можливості і грубе вимірювання швидкості руху.

Одночастотні приймачі. Ці пристрої також використовують один канал для вимірювання віддалей до всіх супутників робочого сузір'я, але вони не обмежені по енергоспоживанню. Звичайний одноканальний приймач може залишатися включеним постійно і, отже, бути більш точним, а також вимірювати швидкість із достатньою точністю принаймні доти, поки немає значних прискорень або різких змін курсу. Оскільки єдиний канал використовується і для прийому сигналів декількох супутників, і для обчислень віддалей, такі приймачі не можуть застосовуватися для безперервного визначення місцеположення.

Швидкодіючі мультиплексні олночастотні приймачі. Цей варіант дуже подібний до варіанта звичайних одночастотних приймачів, але в них перемикання від супутника до супутника відбувається набагато швидше. Настільки, що виявляється можливим, практично одночасно, і виконувати вимірювання віддалей, і стежити за сигналами супутників, тобто, працювати в безперервному режимі. Приймачі, побудовані згідно цього варіанта, менш чутливі до неточності ходу годинника.

Двочастотні приймачі послідовного типу. Наявність другого каналу значно розширює можливості GPS-приймача. По-перше, вдвічі покращується відношення сигнал/шум системи. У свою чергу це означає, що з'являється можливість уловлювати супутникові сигнали під час більш несприятливих умов, і відстежувати супутники, що знаходяться ближче до горизонту. Оскільки один канал може бути використаний тільки для опрацювання інформації про координати положення, а другий – тільки для пошуку і приймання сигналів чергового супутника, двоканальний приймач не перериває вимірювань і обчислень.

Самі визначення координат і швидкості можуть бути більш точними, оскільки в хорошому двоканальному приймачі використовуються обчислювальні алгоритми, що виключають вплив неточності ходу його годинника.

Недоліком двоканального варіанта є те, що його використання може бути більш дорогим і приймач буде споживати велику потужність.

Приймачі паралельного (безперервного) стеження. Приймачі, які відстежують 4 або більше супутників одночасно, можуть відображати миттєве положення і швидкість. Це є дуже цінним під час застосування на високодинамічних об'єктах і під час високоточних вимірювань. Ці пристрої часто

8

використовуються в геодезії і для наукових цілей. Вони можуть мати від 4-х до 10,12 і навіть до 24-х каналів стеження.

Крім очевидної переваги – безперервного вимірювання координат положення і швидкості, ці багатоканальні приймачі можуть також спростити проблему з GDОР. Замість того, щоб виконувати обчислення на основі сигналів чотирьох найкращим чином розташованих супутників, деякі із цих систем обробляють спільно сигнали всіх видимих в даний момент супутників. Застосування до цієї надлишкової інформації відповідних алгоритмів обробки дозволяє мінімізувати помилки визначення місцеположення GDОР.

Для 4-канального приймача відношення сигнал/шум в два рази вище, ніж для двоканального, і в чотири рази вище, ніж для одноканального. Крім того, проводячи взаємну відносну синхронізацію каналів, можна усунути будь-які міжканальні тимчасові зсуви, які могли б вплинути на точність визначення місцеположення.

Недоліком цього типу систем є збільшення їх розмірів, вартості і споживаної потужності.

Сучасні, більш довершені приймачі, обробляючи основні супутникові дані складними методами, видають значно більшу кількість інформації і представляють її більш наочним відображенням на дисплеях із високою роздільною здатністю, наприклад, накладаючи на електронні цифрові карти.

Таким чином, хоча усі приймачі і сприймають одні і ті ж дані GPS, використовують вони їх по-різному.

3 Основи теорії визначення положення пунктів глобальними супутниковими системами

Успішний запуск перших штучних супутників Землі та спостереження за супутниками виявили високу стабільність параметрів орбіт супутників, що дає можливість досить точно обчислити положення супутника на будь-який момент часу.

Саме цей факт підштовхнув вчених до незвичайної, революційної ідеї: використати штучні супутники як носії вихідних координат, за якими визначаються положення точок на поверхні Землі.

До цього часу було навпаки, такими носіями відомих (вихідних) координат служили тільки пункти, жорстко закріплені на землі або на спорудах, жорстко скріплених із земною поверхнею, а положення супутників визначалось системою координат із початком на поверхні Землі або в центрі її мас.

Якщо згадати, що планета Земля також перебуває в безперервному русі в космічному просторі, то ідея передачі функції носіїв координат супутником стає правомірною.

Ідея передачі ролі носіїв координат супутникам докорінно змінила засади космічної геодезії. Виходячи із цієї ідеї, названої революційною, положення пунктів на земній поверхні відносно рухомих супутників можна визначити методами просторових кутових або лінійних засічок. Тому потрібно точно знати моменти часу, в які виконуються вимірювання. Тільки конкретний момент часу положення супутників є однозначним. Тому однозначним в цю мить є і положення наземних пунктів відносно супутників.

9

GPS-визначення базуються на вимірюванні відстані від супутникового приймача, розташованого на поверхні Землі, до супутника. ШСЗ безперервно випромінюють радіохвилі. Приймачі, встановлені на земній поверхні, приймають ці коливання і вимірюють такі параметри, які дозволяють однозначно визначити напрямки на супутники або віддалі до них. Проте, віддалі вимірюються точніше, тому сучасні супутникові системи є віддалемірними. При цьому вимірювання віддалей виконується одночасно кодовим та фазовим методами.

Кодові визначення. У процесі вимірювань за допомогою супутникових систем на передавальному кінці вимірюваної лінії (на супутнику) формується відповідний кодовий сигнал, а на приймальному кінці лінії (в наземному приймачі) має бути сформований опорний сигнал відклику, який обов'язково є аналогічним кодовому сигналу. Ці коди в передавальному та приймальному пристроях мають бути створені синхронно.

Код, що із сигналами супутника досягає приймача, є зсунутим в часі відносно коду, створеного приймачем. Це так звана репліка коду. Цей зсув вим є

мірою часу, за який сигнал зі супутника досягає антени приймача і є пропорційним віддалі супутник – Земля. У приймачі проходить порівняння двох кодів, а точніше, виконується кореляційний аналіз, на основі якого визначається

проходження сигналу від супутника до приймача.

Проте, формула (3) потребує уточнення. Справа в тому, що супутник і наземний приймач повинні створювати коди в еталонний для GPS-системи час. Позначимо зсув показу годинника передавача (супутника) відносно еталонного

часу tпер , а відповідний зсув показу годинника приймача tпр . Зареєстрований час розповсюдження ЕМХ може бути описано таким співвідношенням:

де вим - час проходження сигналу за годинниками передавача та приймача;

tпер та tпр - моменти часу випромінювання та приймання інформаційного сигналу відносно показу еталонного годинника GPS;

τіст = tпр – tпер - істинний час проходження сигналом віддалі;

tпр tпер - поправка, викликана несинхронністю ходу годинників на супутнику та наземному приймачі. Якщо ми будемо користуватись виміряним

де Sіст - геометрична (істинна) віддаль, яка нас цікавить, дійсна віддаль між супутником та приймачем. Цю віддаль Sіст ми зможемо визначити тільки тоді, якщо будемо знати - несинхронність ходу годинників на супутнику та приймальній станції.

10