Практика. Спутниковые системы радиопозиционирования, особенности построения и функционирования
 Скачать 51.97 Kb.
|
|
Метка периодически посылает так называемые блинки (короткие широковещательные пакеты). Эти пакеты принимаются анкерами, и таким образом становится известно, какие анкеры в данный момент «видят» метку, кроме того, по этим блинкам синхронизируется передача информации от координатора к метке. Местоположение меток рассчитывается по результатам измерения метками расстояний до трех и более анкеров. Но, кроме того, для повышения точности и достоверности позиционирования координаты метки уточняются с использованием собственного математического аппарата РТЛС, исходя из знания топологии помещений, где могут находиться объекты, наличия препятствий и так далее. Кроме того, существуют модификации меток со встроенным инерциальным навигатором на недорогих MEMS датчиках (акселерометр, гироскоп, магнетометр), их показания также используются при уточнении координат. Точность позиционирования составляет около одного метра с достоверностью 90% на расстоянии до 30 метров между меткой и любым из анкеров внутри помещений. Достоверность позиционирования также может быть рассчитана. Транспортная инфраструктура RTLS построена на базе стандартов ZigBee 2007 Specification и IEEE 802.15.4, что позволяет использовать ее не только для управления метками и передачи информации от меток к серверу. При необходимости транспортную сеть РТЛС можно использовать для подключения к серверу различных устройств – датчиков, контроллеров и исполнительных механизмов по стандартному протоколу Zigbee. Транспортная сеть РТЛС имеет самовосстанавливающуюся ячеистую структуру и резервированные шлюзы, что обеспечивает повышенную живучесть сети – способность продолжать работу при выходе из строя любого элемента. Транспортная сеть РТЛС масштабируется в широких пределах и может покрывать территории в десятки и сотни тысяч квадратных метров, как в помещениях, так и на открытом пространстве. Используемая ширина полосы составляет 80 MHz, поэтому узкополосные помехи (например, Wi-Fi, Bluetooth и пр.) в диапазоне 2,4 ГГц не влияют на работоспособность системы. В свою очередь, система не влияет на работу других сетей. Благодаря разделению функций позиционирования и транспорта, а также применению фирменного математического аппарата, повышающего точность и достоверность позиционирования, система позиционирования РТЛС имеет широчайший спектр применений в промышленности, энергетике, горнодобывающей и многих других отраслях. Основные источники ошибок и методы их ослабления Основные источники ошибок В спутниковых навигационных системах, также, как и в геодезии, систематические ошибки стараются устранить до уравнивания путём определённых методик наблюдений и использования математических моделей, описывающих характер влияния того или иного фактора на движение спутника и измеряемую величину — псевдодальность. Наибольшее влияние из числа таких факторов оказывает гравитационное поле Луны. Существенно влияние и солнечного радиоактивного давления, оцениваемого для трёхчасовых дуг на уровне 5-6 метров. Хотя большую часть времени радиосигнал проходит в вакууме, учёт ошибок атмосферы, особенно ионосферы, имеет большое значение и вызывает определённые проблемы. Широко известны модели Клобушара, где ионосферные задержки в ночное время принимаются неизменными, и Хипфилда, в которой преломляющие свойства атмосферы подразделяются на сухой и влажный компоненты. Отсюда наиболее точные работы следует выполнять ночью. Проблемным вопросом является определение фазового показателя преломления в ионизированном газе (ионосфере 0, значение которого всегда меньше единицы). К систематическим ошибкам относятся и нестабильность хода часов, которая вносит наибольшую ошибку в определение координат, и многопутность (многолучёвость), обусловленная искажением сигналов вследствие их отражения от предметов, окружающих приёмник. Случайные ошибки устраняют путём увеличения числа измерений. Избыточные измерения позволяют не только повысить точность координатных определений, но и оценить их точность. Данные процедуры проводятся в ходе уравнивания по методу наименьших квадратов, где минимизируется сумма квадратов невязок измеренных величин и, как результат, получают вероятнейшие значения искомых величин. Уравнивание необходимо проводить с учётом весов, характеризующих степень доверия результату измерения. Данное обстоятельство приобретает особую актуальность в связи с проведением широкомасштабных спутниковых определений, где необходимо обеспечить единство линейных спутниковых и традиционных измерений, все в большей степени уступающих спутниковым. Так при создании сетей сгущения спутниковые системы производительнее тахеометрии в три раза. Геометрический фактор Уменьшение точности определения местоположения из-за геометрии наблюдений, носит название геометрического фактора (ГФ). Применительно к спутниковым наблюдениям — это коэффициент, определяющий, во сколько раз ошибка определения больше ошибки измерения. Он не может быть меньше единицы, но чем меньше, тем лучше. Величина геометрического фактора зависит от того, под какими углами пересекаются изоповерхности, то есть от геометрии наблюдений. Существует несколько видов ГФ: по плановому положению, по высоте (вертикали). Сумма их квадратов даёт квадрат ГФ по пространственному положению. Геометрический фактор становится меньше при наблюдении более 4 спутников. Основным из показателей ГФ является пространственный. Опыт работы говорит, что при высокоточных измерениях он не должен превышать трёх единиц. При рядовых работах, например, при определении координат разрядной сети или межевых знаков, ГФ не должен превышать семи. К сожалению, пока не существует инструкций, регламентирующих предельные значения такого рода параметров, да и вообще других допусков на точность и продолжительность измерений. Сейчас все делается лишь на основе собственного опыта. Для оценки качества засечки можно пользуются эмпирической шкалой. ГФ имеет ясный геометрический смысл. Представим пункт наблюдений, из которого направлены на четыре наблюдаемых спутника векторы единичной длины. Если соединить концы векторов, то образуется трёхгранная пирамида. Объём этой пирамиды является величиной, обратной ГФ. Ясно, что чем больше объем пирамиды, тем меньше ГФ, тем точнее определяется местоположение приёмника. Например, хорошо, если наблюдается один спутник вблизи зенита пункта и спутники, находящиеся невысоко над горизонтом и более-менее равномерно распределённые по азимуту. На практике в области приёма антенны приёмника находится много спутников, порой до десяти. Приёмник вычисляет и выдаёт на дисплей ГФ для спутников, наиболее удачно в геометрическом смысле расположенных относительно приёмника. Влияние внешней среды 4.3.1 Влияние ионосферы На пути от спутника до приёмного устройства на Земле радиосигнал претерпевает возмущения в ионосфере, нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, а также вблизи поверхности Земли. Ионосфера простирается примерно на высотах от 50 км до 1000 (1500) км над поверхностью Земли. В ионосфере содержатся свободные электроны и ионы. Под воздействием радиоволн заряженные частицы приходят в вынужденное колебательное движение. Путь и скорость волн изменяются. Наибольшее влияние оказывают электроны. Для радиоволн такая среда становится диспергирующей. В ней скорость распространения зависит от длины волны. По этой причине не всякой длины волны могут проникнуть через ионосферу в космос, окна прозрачности в радиодиапазоне открыты только для волн длиннее 1см и короче 10м. В годы минимальной активности Солнца и особенно ночью окно прозрачности может распахнуться для волн большей длины. Миллиметровые волны через атмосферу не проникают. Спутниковые системы первого поколения TRANSIT и ЦИКАДА использовали несущие волны длиной 2 и 0,75 метра. Системы второго поколения ГЛОНАСС и GPS работают на несущих волнах длиной около 0,2 метра. 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 сильно коррелированными. Важным является то, что искажения зависят от квадрата частоты и 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. Зависимость искажений от частот позволяет исключать их измерением на двух частотах. 4.3.2 Влияние нижних слоёв атмосферы В нижних слоях атмосферы скорость распространения радиоволн зависит от показателя преломления атмосферы, который зависит только от метеоусловий. В нижних слоях атмосферы скорость не зависит от длины радиоволны и исключить её влияние измерениями на двух частотах, как это делалось в отношении ионосферы, невозможно. Для описания изменений показателя преломления с высотой часто пользуются экспоненциальной моделью. Влияние атмосферы наименьшее, когда спутник в зените. Разработан ряд формул для поправок за атмосферу. В качестве исходных данных используют метеорологические параметры пункта наблюдений. При высотах спутника над горизонтом менее 10° атмосферные задержки сигналов превышают 10 м. Поэтому. когда высоты спутника превышают 15°, а иногда и 20°, наблюдений не производят. Формулы поправок за влияние атмосферы дают представление о величинах искажений дальности. На деле применение измеренных на станции метеоданных, за исключением измерений в горах, не даёт преимуществ перед использованием моделей стандартной атмосферы. Наоборот, многие исследователи отмечают, что они иногда даже ухудшают результаты; особенно снижается точность определения высот. 4.3.3 Многолучёвость К антенне приходят радиолучи непосредственно от спутника, а также радиолучи, обогнувшие вследствие дифракции мелкие предметы, и отражённые от земной поверхности, зданий и других объектов местности. Многолучёвость ведёт к искажению дальностей. Если к приёмной антенне подошёл прямой радиолуч от спутника и отражённый от поверхности земли, то отражённый луч отличается от прямого по амплитуде и по фазе. Из-за неизбежных потерь при отражении его амплитуда уменьшается, изменяясь пропорционально коэффициенту отражения. Фаза изменяется по двум причинам: во-первых, в результате сдвига фазы при отражении и, во-вторых, из-за потери фазы за счёт разности хода лучей. Коэффициент отражения и угол сдвига фазы зависят от диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости отражающей поверхности, длины волны, угла скольжения и поляризации радиолуча. Влияние многолучёвости на кодовые измерения более значительны; чем прифазовых. Их оценивают погрешностями в несколько метров. В геодезических антеннах устанавливают металлические экраны, отсекающие отражённые от земной поверхности лучи. В некоторых приёмниках встроены программы подавления многолучёвости. Заключение Координаты пунктов GPS сети вычисляются таким же образом, как координаты пунктов триангуляции и полигонометрии. При выполнении уравнивания по МНК должны использоваться соответствующие параметры эллипсоида. Если координаты для съёмки желательно вычислить в другой системе координат, для нового уравнивания должны использоваться фиксированные контрольные координаты и соответствующие параметры эллипсоида. Внедрение спутниковых технологий позволяет избежать ряда существенных недостатков традиционных методов геодезических определений, а именно: 1) обеспечения прямой видимости между смежными исходными и определяемыми пунктами; 2) высокий уровень случайных ошибок, обусловленных прохождением визирных лучей в приземных слоях атмосферы; 3) влияние погодных условий на точность и сроки наблюдений; 4) статические условия наблюдений; 5) ограниченность пространственных размеров исследуемых территорий; 6) раздельное определение плановых координат и высот; 7) низкая производительность труда, уступающая спутниковым определениям в 10 - 15 раз. Развитие и жизнь современного общества немыслимы без широкого использования разнообразных средств и систем передачи сообщений. Объём информации (сообщений) непрерывно возрастает, увеличивается дальность связи, более высокими становятся требования к надёжности, качеству связи, эффективности использования оборудования. Всё это приводит к непрерывному совершенствованию всех систем, в том числе и систем радиосвязи. В перспективе, данная область (системы передачи информации) будет развиваться ещё больше, т. к. концепции построения современного общества фактически основаны на информации. Широкомасштабное использование спутниковых технологий в геодезии, геодинамике, топографии и других смежных областях, создание многофункциональных радионавигационных систем Навстар (США) и ГЛОНАСС (Советский Союз), Галилео (Западная Европа), Компасс (Китай). При этом названные системы ориентированы на глобальные определения местоположения, а Галилео на северные широты. Реализация фазовых методов измерений позволила достичь миллиметрового уровня точности при измерении линий длиной от нескольких метров до тысячи и более километров. Список литературы Петушков А. В., Тарелкин Е. П. Спутниковые системы и технологии позиционирования / Учебное пособие. - Санкт-Петербург, 2015. – 88 с. Система местоопределения, использующая специализированную спутниковую радионавигационную систему URL: https://vuzlit.ru/2245812/sistema_mestoopredeleniya_ispolzuyuschaya_spetsializirovannuyu_sputnikovuyu_radionavigatsionnuyu_sistemu Спутниковые системы связи URL: https://siblec.ru/telekommunikatsii/osnovy-postroeniya-telekommunikatsionnykh-sistem-i-setej/9-sputnikovye-sistemy-svyazi Технологии позиционирования в реальном времени URL: http://www.rtlsnet.ru/technology/view/4 |