Спутниковые фазовые измерения в залесенных условиях

УДК 528:629.783

А.Г. Прихода, А.П. Лапко

ФГУП «СНИИГГиМС», Новосибирск

СПУТНИКОВЫЕ ФАЗОВЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ В ЗАЛЕСЕННЫХ УСЛОВИЯХ

При производстве полевых геолого-геофизических работ в сложных физико-географических условиях (залесенная, холмистая и горно-таежная местность) возникают проблемы спутникового геодезического обеспечения. Одним из главных источников ошибок при позиционировании по сигналам глобальных спутниковых радионавигационных систем является многопутность (многолучевость) распространения спутниковых радиосигналов [Антонович, т. 1, 2005]. Эти ошибки - результат

интерференции радиоволн, которые проходят расстояние между навигационным спутником и приемником несколькими путями различной длины из-за отражений от земной поверхности и объектов в основном вблизи приемника [Генике и др., 1999].

Нами были проведены в залесенной местности исследования системы субметровой точности, работающей по сигналам GPS. Исследуемая система включала в себя: базовую станцию Legacy - HGD фирмы Topcon и мобильную роверную станцию Pathfinder PRO XR фирмы Trimble Navigation.

Базовая станция располагалась на опорном пункте с известными координатами на крыше здания. Измерения выполнялись в относительном режиме с постобработкой полученной информации в залесенной и открытой местности на эталонных пунктах. Высота деревьев с густой кроной достигала 20 м. Расстояние между деревьями до 5 - 7 м. Расстояние между мобильной и базовой станциями находилось в пределах 25 км.

На каждый час работы посредством программного обеспечения Trimble Pathfinder Office составлялся прогноз видимости количества навигационных искусственных спутников Земли (НИСЗ). В обоих GPS-приемниках с кодовым разделением спутниковых сигналов обработка фазы несущей частоты, равной 1575,42 МГц, что соответствует длине волны L1 ~ 20 см. осуществляется фазовым процессором. Приведенные компанией Trimble технические характеристики при обработке фазовых измерений для приемника GPS Pathfinder PRO XR соответствуют следующим значениям точности (СКО):

- 30 см + 5 мм/км за 5 минут непрерывного отслеживания НИСЗ;

- 20 см + 5 мм/км за 10 минут непрерывного отслеживания НИСЗ;

- 10 см + 5 мм/км за 20 минут непрерывного отслеживания НИСЗ.

Установочные (пороговые) значения исходных данных, как для открытой, так и для закрытой местности составляли: количество

наблюдаемых НИСЗ > 5, геометрический фактор потери точности плановых и высотных измерений PDOP < 6, отношение сигнал/шум (SNR) > 6, маска угла возвышения спутников над горизонтом 15°.

PDOP - фактор считается наиболее удобным для оценки показателем точности. Из практики известно, что PDOP < 4 обеспечивает получение относительно точных значений местоположения. PDOP между 5 и 7 является приемлемым, PDOP > 7 считается плохим, хотя для некоторых геодезических приемников фирмы Trimble по умолчанию устанавливается пороговое значение PDOP, равное 7.

Для оценки зашумлённости сигнала ориентируются на уровень сигнала на несущей L1. Качество данных считается неудовлетворительным, если уровень сигнала на несущей L1 одного из спутников наблюдаемого созвездия оказывается менее 6. Значения полученных местоположений, определенных при низком уровне сигнала можно использовать для навигации, но не для целей геодезии.

Известны следующие основные причины затухания информационного сигнала: сигнал будет ослабленным, если прошел, например, через крону дерева; сигнал будет иметь низкий уровень, если задан малый порог возвышения спутников над линией горизонта. Кроме того, использование спутников с малым углом возвышения приводит к ошибке за многолучевость распространения. Чтобы избежать ошибок при низких углах возвышения необходимо, чтобы большая часть съёмок с постобработкой выполнялась с заданной маской угла возвышения, равной 15°. В то же время, большая часть работ в реальном времени, т. е. с передачей корректирующих поправок по радиомодему, осуществляется при значении маски угла возвышения спутников 13°. Данные со спутников регистрируются редко, если возвышение будет ниже 10°.

При фазовых измерениях количество наблюдаемых спутников должно быть > 5, хотя трехмерное положение пункта наблюдения можно определить по 4 спутникам. Дополнительные спутники обеспечивают получение избыточных измерений фазы несущей и являются фактором надежности для тех моментов времени, когда происходит срыв цикла, который представляет собой нарушение непрерывного сопровождения спутника т. е. процесс считывания фронтов сигналов при обязательном непрерывном сопровождении несущей нарушается. Срывы могут произойти из-за слабого уровня сигнала при низком расположении спутника над горизонтом, наличия препятствий на пути радиолуча «спутник-антенна приемника», например деревьев, кустарников или заслонением антенны приемника оператором, а также смещением ветвей деревьев при ветре.

В процессе измерений при непрерывном сопровождении несущей, что контролируется оператором на визуальном индикаторе контроллера TSC-1, наблюдались кратковременные (до 3 секунд) пропадания несущей, но без потери захвата сигналов спутников.

Наряду с термином «многолучевость» известно понятие «имэджинг» (imadging), смысл которого состоит в том, что сторонние близкорасположенные к антенне проводящие тела, например элементы металлического геодезического знака, автотранспорта и т. п. могут влиять на антенну приемника, изменяя её амплитудно-частотную и фазовую

характеристики и, таким образом, изменять диаграмму направленности и смещать фазовый центр антенны.

В результате интерференции «прямого» и переотраженного сигналов в фазовом центре антенны формируется результирующий сигнал, который можно представить, как «прямой» сигнал с дополнительным фазовым (или временным) сдвигом. Для кодовых сигналов сдвиг ( укод ), вызванный эффектом многолучевости, имеет следующий вид [Беликов и др., 1993]:

2К8т(2тг—)[КСо$(2я—) + Со,у(2;г—)]

Л 1 ^

АГкод = ~~агЩ

2 1 - К2 + 2KCos(2tt —)[KCos(2tt —) + Cos{2n —)]

К лм ям

где: К - коэффициент отражения, AR - разность хода прямого и переотраженного сигналов, Ям - длина волны модулирующего сигнала.

Анализ формулы (1) свидетельствует о том, что при наличии сильных отражений, когда К = 1, значение Лукод может достигать я72, а погрешность определения дальности до спутника - X м/4. Таким образом, устойчивость кодовой аппаратуры по отношению к воздействию переотраженных сигналов определяется типом используемого кода, например С/А - кода или Р-кода, частоты передачи которых отличаются на порядок. Так для GPS системы частота передачи С/А - кода составляет 1,023 МГц, а частота передачи Р-кода равна 10,23 МГц. Тогда погрешность измеряемого расстояния кодовым методом составит, соответственно около 73 м и 7 м.

Для фазовых сигналов величина фазового сдвига Лу фаз , вызванного

эффектом многолучевости, определяется по формуле [Беликов и др., 1993]:

ДП

KSin

АГфаг = arctg----------,

1 + KCos

X

где: Я - длина волны несущих колебаний.

При переходе к погрешности в значении измеряемого расстояния до спутника Gr формулу (2) можно записать в следующем виде:

KSin{27i—)

GR=-A<p = —— arctg------------------------------4-—.

т \ + KCos

Максимальная ошибка при воздействии многолучевости соответствует AR

условию Cos{2л —) = -К. Если коэффициент отражения приближается к

Я

единице, то соответствующая погрешность измеряемого расстояния фазовым методом с использованием несущей частоты может достигать значения, равного Я/2 и на частоте L1 составит около 10 см.

При испытаниях комплекса аппаратуры в полевых условиях антенномачтовое устройство базовой станции было в стандартном исполнении, а мобильной (рис. 1) имело специальное исполнение.

Основными элементами предлагаемого мачтового устройства мобильной станции являются: цилиндрический шток с фиксирующими направляющими, который неподвижно укреплен на опорном фланце штатива, подвижная стойка, снабженная в верхней части горизонтальной штангой для установки спутниковой антенны, а в нижней части с трапециевидным кольцом, включающим указатель положения. Опорный фланец включает в себя подвижный лимб с угловой шкалой от 0° до 360°, через каждые 45°. Направляющие обеспечивают устойчивое вращение антенны, а также возможность изменения ее положения по высоте вдоль цилиндрического штока с шагом 0.5А,, где X длина волны несущих колебаний.

Методика геодезических

заключается

в

антенны

положение

исходным

измерений следующем.

Перед началом пошагового кругового перемещения антенны, вращая подвижную стойку, находят направление на максимальное число одновременно наблюдаемых

спутников, после чего вращение прекращают. Это

антенны считается (нулевым). Фиксируют соответствующее положение

указателя и совмещают с ним нулевую отметку шкалы лимба. Затем, контролируя по визуальному индикатору видимость спутников, поворачивают подвижную стойку по часовой стрелке, например, на 45°.

В таком положении в течение одной минуты выполняются геодезические измерения, которые заносятся

в память измерительной аппаратуры. Далее в том же направлении по часовой стрелке по угловой шкале лимба, вращая подвижную стойку, поворачивают антенну на следующие 450 и производят измерения также в

течение одной минуты. Этот процесс продолжают до завершения полного

оборота вращения антенны, то есть до возвращения ее

в первоначальное (исходное) положение, в котором также выполняют

измерения в течение одной минуты. При необходимости более точного

Рис. 1. Антенно-мачтовое устройство

определения координат исследуемых точек идентичные измерения производят на нескольких высотах антенны, для чего подвижную стойку поднимают и фиксируют

в следующем положении цилиндрического штока (на высоту 0.5Л « 10 см). Процесс измерений при каждой высоте антенны выполняют описанным выше способом. Принятые сигналы, прямые и отраженные, автоматически регистрируются, накапливаются и обрабатываются. Конечные значения координат каждой из исследуемых точек на местности определяют путем осреднения полученных осредненных значений для каждого из фиксированных положений антенны. В таблице показан фрагмент результатов геодезических измерений с использованием субметровой GPS системы.

На рис. 2 в качестве примера для пункта наблюдений № 1909 (см. таблицу) показано распределение значений координат при дискретных геодезических измерениях.

Рис. 2. Распределение значений координат пункта № 1909 при дискретных

наблюдениях:

* - полученные значения координат исследуемой точки при каждом фиксированном положении антенны;

- значение координаты измеряемой точки, полученное в результате усреднения всех значений

Таблица. Результаты измерений спутниковым кодово-фазовым комплексом Javad (база) - PathFmder (мобильная станция) в открытой и залесенной

местности.

Высота смешанных пород 20 м, расстояние между деревьями 5-7 м

№ пункта mx, м my, м Ши,м тху,м Мх,м Му,м Ми,м Мху,м Кол-во видим. сп-ков, (высота антенны), м Вид местности

9650 0.17 0.18 0.34 0.24 0.20 0.17 1.05 0.23 7-8; (2) Открытая

0372 0.18 0.18 0.37 0.25 0.24 0.25 0.77 0.32 7-8;

9715 0.22 0.20 0.41 0.27 0.21 0.18 0.91 0.29 7-8;

3950 0.15 0.17 0.48 0.20 0.19 0.21 1.20 0.29 5-6; (2) Залесенная

1909 0.14 0.15 0.36 0.19 0.16 0.18 1.35 0.21 5-7;

mx, ту, mH - ошибки определения координат х,у и высот Н по уклонениям от среднего значения;

тху - ошибка определения местоположения т = л]х2 + у2 по уклонениям

от среднего значения;

Mxy - ошибка определения местоположения по уклонениям от истинного значения (из высокоточных определений);

Mx, My, MH - ошибка определения координат x,y и высот H по уклонениям от истинных значений.

Представленные результаты демонстрируют, что реализация предлагаемого способа фазовых измерений обеспечивает точность определения координат пунктов в залесенной местности одного порядка с точностью при работе в открытой местности.

БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК

1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [текст]. В 2 т. Т.1 : монография / К.М. Антонович. - М.: Картгеоцентр, 2005. -334 с.

2. Беликов, П.А. Исследование GPS-приемников на объектах работ РосНИЦ «Земля» [Текст] / П.А. Беликов, А.В. Бойков, В.А. Козлов - Пятый Российский симпозиум «Метрология времени и пространства», октябрь 1994, ИМВП НПО «ВНИИФТРИ», Менделеево, Россия.

3. Генике, А.А. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии [Текст] / А.А. Генике, Г.Г. Побединский. - М.: Картгеоцентр, Геоиздат, 1999. - 272 с.

© А.Г. Прихода, А.П. Лапко, 2006