Практика. Спутниковые системы радиопозиционирования, особенности построения и функционирования
 Скачать 51.97 Kb.
|
|
Спутниковые системы радиопозиционирования, особенности построения и функционирования Содержание Стр. Введение 3 1. Структура систем спутникового позиционирования 5 1.1 Космический сегмент 5 1.2 Сегмент управления 6 1.3 Сегмент пользователя 7 2. Способы позиционирования 8 2.1 Автономное определение координат 8 2.2 Дифференциальный способ 9 2.3 Статика 11 2.4 Ускоренная статика 12 2.5 Кинематика 13 2.6 Кинематика реального времени 14 3. Технологии позиционирования. 16 3.1 Системы контроля и управления доступом. 16 3.2 Позиционирование в сотовых сетях. 18 3.3 Системы локального позиционирования. 20 4. Основные источники ошибок и методы их ослабления 28 4.1 Основные источники ошибок 28 4.2 Геометрический фактор 29 4.3 Влияние внешней среды 30 Заключение 33Список литературы 35Введение Использование систем позиционирования людей и материальных объектов – одно из актуальных направлений совершенствования технологических и бизнес процессов в самых разных отраслях деятельности. Под позиционированием понимается определение с помощью спутниковых систем местонахождения наблюдателя или объекта в трехмерном земном пространстве. Разнообразие областей применения и относительная «молодость» направления породили разнообразие технологий позиционирования. А заодно и названий этой технологии: позиционирование, мониторинг, отслеживание, визуализация, трекинг и тому подобное. Достоинства спутниковых систем позиционирования: глобальность, оперативность, всепогодность, оптимальная точность и эффективность. Для измерений не нужна видимость между определяемыми пунктами. Сферы применения спутникового позиционирования: развитие опорных геодезических сетей; кадастровые работы; землеустроительные работы; тематические исследования (исследования сейсмической активности, вулканизма, движений полюсов, земной поверхности и ледников); мониторинг природных и техногенных объектов; геодезическое обеспечение спасательно-предупредительных работ; навигация всех видов; диспетчерские службы. Систему спутникового позиционирования делят на три сегмента (подсистемы): - космический (спутниковый) сегмент – созвездие ИСЗ; - сегмент управления – сеть наземных станций контроля и управления; - сегмент пользователей – аппаратура потребителей (GPS приёмники). Космический сегмент состоит из группировки функционирующих в данную эпоху спутников. Сегмент управления и контроля содержит главную станцию управления и контроля, станции слежения за спутниками и станции закладки информации в бортовые компьютеры спутников. Сегмент пользователя — это совокупность спутниковых приёмников и программного обеспечения, находящихся в распоряжении пользователей. Структура систем спутникового позиционирования Космический сегмент Современная система GPS и Глонасс состоит из 24 спутников (21 основных и 3 запасных) которые обращаются на трёх орбитах (Глонасс) и на шести орбитах (GPS). Орбиты спутников практически круговые и расположены на высотах 19100 км – Глонасс и 20183 км – GPS. Система Глонасс имеет три орбитальные плоскости, наклонение орбит 64,8º. Плоскости орбит спутников GPS наклонены на угол около 55º к плоскости экватора и сдвинуты между собой на 60º по долготе. В каждой из 6 орбитальных плоскостей расположены три равноотстоящих друг от друга на 120º спутника. Спутник в соседней восточной плоскости находится на 40º севернее спутника, расположенного в соседней западной орбитальной плоскости. Радиусы орбит — около 26 тыс. км. Период обращения спутников равен 12 часам звёздного времени (звёздные сутки равны 23 часа 55 минут 56.6 секунд). Каждый спутник проходит над одной и той же точкой ежедневно примерно на 4 минуты раньше вчерашнего. На борту каждого спутника имеются стандарты частоты, из которых наибольшую стабильность имеют водородные генераторы, солнечные батареи, двигатели корректировки орбиты, приёмо-передающая аппаратура, компьютер. Сигналы, формируемые местным опорным генератором, называют стоповыми. Две солнечные батареи площадью 7,2 м² каждая обеспечивают спутник энергией и заряжает аккумуляторы для работы спутника в тени Земли. Стандарты частоты координируют и управляют основной частотой – кварцевым стандартом частоты, генерирующим колебания частотой 10.23 МГц, из которых создают две несущие частоты L – диапазона: L 1= 1575,42 МГц (длина волны 19,05 см), L 2= 1227,60 МГц (длина волны 24,45 см). На несущую частоту методом импульсно-фазовой модуляции накладывают информацию и через антенну передают на Землю. Модуляцией сигнала называют изменение какого-либо параметра электрического сигнала: при амплитудной модуляции изменяется амплитуда сигнала, при частотной – частота сигнала, при импульсно фазовой – фаза сигнала скачком изменяется на 180º. В системе ГЛОНАСС каждый спутник имеет свою частоту и общий код для всех спутников. Спутники GPS излучают одинаковые частоты L1, L2, но каждый спутник имеет свой личный код – свою последовательность переключения фазы на 180º, по которой распознают спутник. Причём частота L1 модулируется двумя видами кодов: С/А – кодом (код свободного доступа) и частота L2 – только Р-кодом. Систему кодов, формируемых для спутников системы GPS, называют кодом Голда. Обе несущие частоты дополнительно кодируются навигационным сообщением, в котором имеются данные об орбитах ИСЗ, о параметрах атмосферы, о поправках системного времени. Сегмент управления Сегмент управления (наземный сегмент) ГЛОНАСС состоит из: центра управления системой (ЦУС); контрольных станций (КС); командных станций слежения (КСС); квантово-оптических станций (КОС); систем контроля фаз (СКФ); аппаратуры контроля поля (АКП). Станции контроля и управления системой NAVSTAR GPS имеют главную станцию управления (авиабаза Фалькон в штате Колорадо), пять станций слежения, расположенные на американских военных базах на Гавайских островах, островах Вознесения, Диего-Гарсия, Кваджелейн. Для уточнения параметров атмосферы и траекторий движения ИСЗ, кроме того, выполняются наблюдения на государственных и частных станциях слежения за ИСЗ. На главной станции получаемая информация обрабатывается в суперкомпьютерах. В результате вычисляют и прогнозируют эфемериды спутников, определяют поправки в часы ИСЗ, формируют навигационные сообщения спутника. Наземные антенны передают на ИСЗ эти навигационные сообщения. Расположение наземных передающих антенн позволяет иметь ежедневно не менее трёх сеансов связи системы слежения с каждым спутником. Сегмент пользователя Пользователь СНС — это человек или коллектив, имеющий в своём распоряжении всю необходимую для работы спутниковую аппаратуру и программное обеспечение. Следовательно, сегмент пользователя — это совокупность находящихся в работе спутниковых приёмников и другой аппаратуры. Одновременно с проведением измерений в приёмнике выполняется автоматическая обработка содержащихся в каждом навигационном радиосигнале меток времени и цифровой информации. Цифровая информация описывает положение данного спутника в пространстве и времени (эфемериды) относительно единой для системы шкалы времени и в геоцентрической связанной декартовой системе координат. Кроме того, цифровая информация описывает положение других спутников системы (альманах) в виде кеплеровских элементов их орбит и содержит некоторые другие параметры. Результаты измерений и принятая цифровая информация являются исходными данными для решения навигационной задачи по определению координат и параметров движения. Навигационная задача решается автоматически в вычислительном устройстве приёмника, с использованием метода наименьших квадратов. При этом в системе GPS в обработку принимаются измерения со спутников, у которых угол возвышения превышает 15 градусов. В результате решения определяются три координаты местоположения потребителя, скорость его движения и осуществляется привязка шкалы времени потребителя к высокоточной шкале координированного всемирного времени (UTC). Способы позиционирования 2.1 Автономное определение координат Все способы позиционирования можно разделить на: 1. Абсолютные (автономные (autonomous), дифференциальные (differential, DGPS, DGLONASS), реального времени (RT DGPS); 2. Относительные (relative, baselines): Статические (статика (statics), ускоренная статика (fast, rapid statics), псевдостатика (pseudostatics, reoccupation)); Кинематические (непрерывная (continuous), "стой и иди" ("stop and go"), реального времени (Real Time K. — RTK)). Способами абсолютного позиционирования определяют полные координаты пунктов. Относительным позиционированием находят приращения координат или вектор между двумя пунктами. При относительном позиционировании основные измерения выполняются фазовым методом; параллельно с этим, в целях нахождения приближенных значений координат и разрешения неоднозначности фазовых циклов, измеряют кодовые псевдодальности. Точность способов существенно различна: от долей сантиметра до сотни метров. Наибольшую точность обеспечивают дифференциальные и особенно относительные способы, которые превосходят абсолютные методы примерно в 100 раз. В их основе лежит предположение, что измерения с двух станций до спутника искажены примерно одинаково. Чем станции ближе друг к другу, тем это утверждение точнее. При этом эфемериды спутника, передаваемые в составе навигационного сообщения, имеют ошибки метрового диапазона. Одиночные пункты разрядной и межевой сетей определяются, как правило, лучевым методом, требующим независимого контроля в определении координат. Максимальная точность достигается применением сетевого метода, когда исходные и определяемые пункты связаны отнаблюденными векторами, представляющими собой аналог геодезической сети. Автономно координаты определяют пространственной линейной засечкой по кодовым псевдодальностям, измеренным до четырёх и большего числа спутников. Способ автономный в том смысле, что наблюдатель определяет местонахождение независимо от измерений на других станциях. Способ чувствителен к любым искажениям. В целом средняя квадратическая ошибка (СКО) псевдодальностей составляет порядка 5 м, а в режиме SA — 10м. Как следует из таблицы наибольшую ошибку вносит атмосфера, а в ней – ионосфера. Чтобы оценить, как точно будут определены координаты, надо учесть так называемый геометрический фактор (ГФ). Геометрический фактор характеризует потери точности из-за геометрии засечки (геометрии расположения спутников). ГФ очень важная характеристика качества измерений: чем ГФ больше, тем хуже засечка. Точность автономного способа повышают продолжительными (до 10-15 минут) наблюдениями на точке и совместной обработкой всех измерений. 2.2 Дифференциальный способ Ошибки в кодовых псевдодальностях большие и доходят до десяти метров. При этом, важно учитывать не только их величины, но и характер влияния. Многие из них можно устранить или, как в случае с атмосферой, существенно уменьшить. В дифференциальном способе, в отличие от автономного, псевдодальности до спутников измеряют с двух станций на Земле. Одна ставится на пункте с известными координатами. Ее называют базовой или референц-станцией (base or reference station). Другая, подвижная (rover), размещается над определяемой точкой. На базовой станции измеренные псевдодальности сравнивают с расстояниями, вычисленными по координатам, и определяют их разности. Эти разности, так называемые дифференциальные поправки (differential corrections), передают на другую станцию для исправления измерений. Способ основан на предположении, что многие погрешности, кроме АО, одинаково влияют на измерения с каждой станции. В самом деле. Погрешности, возникающие на данном КА и из-за действия режима SA, на обеих станциях практически одни и те же. Воздействия атмосферы на разных линиях могут несколько различаться по причинам: а) разные длины трасс; б) локальные неоднородности на трассах. Когда расстояние между станциями менее 10 км, искажения на обеих трассах практически одинаковы. Ошибки в эфемеридах в значительной мере исключаются. Чем меньше расстояние между станциями, тем точнее коррекции. Что же касается искажений, вносимых АО, то их можно учесть, как и в автономном позиционировании. Поправки вводят или после измерений при обработке (постобработка), или передают их по дополнительному цифровому радиоканалу и учитывают в ходе измерений в реальном времени. Поправки быстро теряют актуальность, поэтому одновременно транслируют данные о скорости их изменения. Дифференциальные коррекции применяют и к фазовым измерениям. Точность дифференциального позиционирования зависит от приёмников, ГФ, программного обеспечения и колеблется от первых дециметров до нескольких метров. Коррекции к фазовым дальностям повышают точность до сантиметрового уровня. Для передачи дифференциальных поправок используются средневолновый (275-2000 кГц) и УКВ (390-1550 МГц и 3-300 ГГц) радиоканалы. Геодезические приёмники обычно имеют вход, позволяющий принимать в форматах RTCM SC-104 поправки в псевдодальности по каждому спутнику. Существуют более 500 базовых станций, расположенных в разных странах мира, которые в своих прибрежных зонах передают дифференциальные коррекции в стандартном международном формате RTCM SC-104. Эти станции являются собственностью разных организаций и предлагают поправки свободно или за плату. Организованы службы, которые передают коррекции через спутники связи. В ряде стран созданы сети постоянно действующих базовых станций. Например, в Швеции 21 станция обеспечивает дифференциальные измерения по всей стране. В Российской Федерации также начато создание таких станций. Навигационные дифференциальные подсистемы (ДПС) условно подразделяют на локальные, региональные и широкозонные. Локальные ДПС имеют зону действия в радиусе 50 — 200 км от контрольно-корректирующей станции (ККС). Точность определения текущего местоположения: от 2 до 4,5 м. К локальным относят также геодезические ДПС с дальностью до 50 км и с дециметрово-сантиметровой точностью. Рабочая зона региональных ДПС простирается от 400 — 500 до 2000 км. Они могут иметь одну или несколько ККС. 2.3 Статика Наиболее ощутимые выгоды от внедрения идеи исключения ошибок достигнуты в способах относительных измерений. Как и в дифференциальном способе, аппаратуру устанавливают на двух станциях, например, A и B. Одну из них также называют базовой или референц-станцией. Никаких коррекций не определяют, а формируют разности из наблюдений на станциях. В статике по разностям, свободным от многих искажений, вычисляют соединяющий эти станции вектор D в трёхмерном пространстве. Базовая станция должна иметь точные координаты, чтобы по измеренным приращениям можно было бы вычислить координаты остальных пунктов геодезической сети. Благодаря измерению приращений координат и применению фазового метода погрешности в результатах сведены к нескольким сантиметрам. Этот способ является основным в геодинамических и важнейших геодезических работах. Способ статики является наиболее точным и трудоёмким. Точность статики зависит от продолжительности измерений. Измерения в течение 5 минут обеспечивают дециметровую точность. Обычно продолжительность наблюдений на паре станций составляет около одного часа. За это время происходит накопление измерений, выполняемых через интервалы от 1 секунды до 5 минут. При увеличении продолжительности наблюдений с 1 до 6 часов СКО уменьшается более чем в 1,5 раза. Меньшую продолжительность наблюдений имеет способ ускоренной статики, где имеет место активный поиск чисел неоднозначности. Главная цель — как можно быстрее разрешить неоднозначность. Время этих измерений согласовано с количеством наблюдаемых спутников. Так, при 5 спутниках наблюдения длятся до 20, а при 6 — до 10 минут. Ещё менее трудоёмки наблюдения в псевдостатике. Подвижный приёмник на станции принимает сигналы примерно в течение 10 минут. Затем его переносят на другие пункты. По истечении часа приёмник возвращают на прежние пункты и продолжают сбор данных. Таким образом, непрерывность измерений на базовой станции сохраняется, а на подвижной станции они зафиксированы только в начале и в конце часового интервала. Одновременное наблюдение спутников GPS и ГЛОНАСС позволяет достичь сантиметровой точности в 3-6 раз быстрее. В сравнении с другими методами геодезической съёмки, статическая съёмка требует большей продолжительности сеанса наблюдений. Вместе с тем надо отметить, что метод позволяет разрешить сопутствующие измерениям проблемы, такие как пропуск цикла и многолучёвость и обеспечить высокий уровень точности. 2.4 Ускоренная статика Быстрая статика в значительной мере то же самое, что и статика, за исключением, что сеанс измерений может проводиться за более короткий период времени и требует двухчастотных СРS-приёмников. В общем, быстрая статическая съёмка является эффективной при длине базовой линии в пределах 10 км, времени синхронных наблюдений около 20 минут и периоде сбора данных 15 секунд. Однако эффективная длина базовой линии и время сеанса может варьироваться в зависимости от количества отслеживаемых спутников, значения геометрического фактора ухудшения точности, наличия или отсутствия пропусков циклов, влияния многолучёвости, а также других факторов и внешних условий. Благодаря укороченному времени сеанса, эффективность работы в режиме быстрой статической съёмки возрастает. С другой стороны, объем полученных данных меньше, чем при статической съёмке, так что точность и надёжность результатов может оказаться ниже. Для увеличения точности получаемых данных используют программное обеспечение для планирования работ, чтобы гарантировать достаточное количество спутников и хорошее значение геометрического фактора, а также другие оптимальные условия на период измерении. 2.5 Кинематика Для съёмочных и других работ на малых площадях, требующих значительных передвижений на местности, предложен ряд разновидностей способов кинематического позиционирования. Измерения начинают со станций A и B, координаты которых и, следовательно, вектор между ними уже должны быть известны. Процесс привязки подвижного приёмника к базовому вектору называют инициализацией. Её цель — разрешить неоднозначность на известном базисе. Применяют несколько способов инициализации. 1. Положение вектора известно точнее 5 см. Приёмники устанавливают на его концах и наблюдают несколько минут. 2. Базовый вектор неизвестен. Его определяют статическим позиционированием. 3. Применяют способ перестановки антенн (Antenna Swapping). Антенну одного приёмника устанавливают над пунктом базовой станции, антенну другого — в стороне на 5 — 10 м. Выполняют измерения. Затем, не трогая треног, антенны меняют местами и вновь выполняют измерения. После этого антенны возвращают на исходные позиции и проводят измерения. 4. Инициализация в полете (On The Fly — OTF). Исходное положение приёмника определяют по псевдодальностям. Используя СКП псевдодальностей, оценивают объём пространства, содержащий точные значения расстояний. Перебором вариантов в этом пространстве рассчитывают числа неоднозначности. Неоднозначность разрешают за несколько секунд. Инициализацию производят по 4 и более спутникам. Затем работающий приёмник перемещают в некоторую другую точку, определяют её координаты и т.д. Измерения ведут по одним и тем же спутникам. В случае потери сигналов спутников измерения повторяют, начиная с пункта с известными координатами. В практике позиционирования применяют сложные технологические схемы с повторными заходами на определяемые пункты и на пункты с известными координатами. Способ непрерывной кинематики позволяет "цифровать" контуры на местности: не останавливаясь, перемещаются с приёмником по контуру и через заданные интервалы времени фиксируют его координаты. Способ "Стой-иди" предусматривает возможность остановиться на точке, выполнить более длительные измерения, а затем продолжить движение. В этих способах полевые наблюдения и обработка разделены во времени. Когда имеется цифровой радиоканал, данные с базового приёмника передают на подвижный, и применяют способ кинематики реального времени. Ориентировочно точность кинематического позиционирования характеризуется СКО порядка десятков сантиметров. 2.6 Кинематика реального времени Кинематическая съёмка в реальном масштабе времени (RТК) — это методика работ для получения точных координат в реальном времени, и требует специального контроллера для обработки и сохранения результатов. При съёмке в режиме RТК так же, как и при кинематической съёмке, один приёмник служит в качестве базовой станции и осуществляет наблюдения с антенной, закреплённой на штативе или другой неподвижной подставке. Другой же приёмник работает на подвижном основании и проводит измерения с антенной на вешке и перемещаемой по определяемым точкам. В отличие от кинематической съёмки с постобработкой, базовая станция и подвижный приёмник, связаны при помощи радиотелеметрической системы или другой системы связи. Данные коррекции по фазе, несущей и другие данные, получаемые на базовой станции, передаются на подвижный приёмник через модем. Благодаря этим передаваемым данным и собственным данным, на подвижном комплекте немедленно проводится анализ данных по базовой линии, и сразу выдаются результаты вычислений. Для проведения геодезической съёмки в режиме RТК необходима инициализация контроллера, осуществляющего разрешение неоднозначности. В некоторых приёмниках применена технология ОТF (на лету), так что инициализация может осуществляться даже в процессе движения. Обычно, ОТF инициализация требует двухчастотных данных и, по крайней мере, наличия пяти спутников. Инициализация длится не более одной минуты. Технологии позиционирования Системы контроля и управления доступом Для различных приложений требуется разная точность позиционирования в пространстве и во времени. Сотовым операторам и провайдерам Wi-Fi достаточно знать, что человек находится в определенной зоне обслуживания, чтобы предоставить ему услуги, актуальные именно в этой зоне. Для охранных структур важно знать, что человек зашел на охраняемый объект или вышел из него. В ряде случаев необходимо знать, что человек или предмет находится в конкретном помещении. Но во многих приложениях (в энергетике, промышленности, здравоохранении) требуется определять местонахождение человека или предмета с максимальной разумной точностью. Основные используемые для позиционирования группы технологий – это: |