Leica Введение в GPS User Manual [ru]

403020

GPS Basics

Введение в GPS (Глобальная Навигационная Система).

Версия 1.0

Русская

Содержание

1. Что такое GPS и зачем она ..................... 5

2 Краткий обзор........................................... 6

2.1 Космический сегмент. .......................................... 6

2.2 Сегмент Управления. ........................................... 8

2.3 Сегмент пользователя. ....................................... 9

3. Как работает ...........................................10

3.1 Простая навигация. .............................................11

3.1.1 Определение координат спутника. ...................... 11

3.1.2 Вычисление расстояния до

спутника...................................................... 13

3.1.3 Источники ошибок. .............................................. 14

3.1.4 Почему армейские приёмники более точны? ..... 18

3.2 Дифференциальное координирование. .............19

3.2.1 Референц - станция. ............................................ 20

3.2.2 Ровер. ................................................................... 20

3 2.3 Некоторые подробности. .................................... 20

3.3 Дифференциальные фазовые GPS измерения и

разрешение неоднозначности. ............................... 22

3.3.1 Фаза несущей, C/A и Р коды. .............................. 22

3.3.2 Почему используется фаза несущей? ................ 23

3.3.3 Двойное вычисление разностей. ........................ 23

3.3.4 Неоднозначность и Разрешение

Неоднозначности.......................................................... 24

4. Геодезические

...................................................................... 26

4.1 Введение. ........................................................... 27

4.2 Система координат GPS. .................................. 28

4.3 Местные системы координат. ............................ 29

4.4 Проблемы с высотой. ........................................ 30

4.5 Трансформация. ................................................. 31

4.6 Картографические проекции и координаты на

плоскости. ............................................................... 34

4.6.1 Поперечная проекция Меркатора. ..................... 35

4.6.2 Проекция Ламберта. ............................................ 37

5. Геодезические GPS

...................................................................... 38

5.1 Методики GPS измерений................................. 39

5.1.1 Статика. ................................................................ 40

5.1.2 Измерения быстрой статикой. ............................. 42

5.1.3 Кинематические измерения. ............................... 44

5.1.4 RTK измерения. .................................................... 45

5.2 Подготовка к измерениям. ................................ 46

5.3 Советы бывалого.

................................................................................. 46

Глоссарий. ................................................... 48

Further Reading ........................................... 59

Основы GPS -1.0.1ru

Краткий обзор.

Предисловие.

1. Что такое GPS и зачем она

2 Краткий обзор

3. Как работает

4. Геодезические

5. Геодезические GPS

Глоссарий.

Index

Основы GPS -1.0.1ru

Краткий обзор.

Предисловие.

Почему мы написали эту книжку и кому она адресована?

На предприятиях Leica, среди всевозможного оборудования производятся аппаратные и программные средства для GPS измерений. Они используются профессионалами во многих областях человеческой деятельности для решения разнообразнейших задач. Лишь одно объединяет почти всех наших потребителей – это то, что они не специалисты в GPS или квалифицированные геодезисты. Они используют GPS как инструмент, чтобы решить поставленную перед ними задачу. Поэтому, полезно получить некоторые основные сведения о том, что такое GPS и как она работает.

Эта книжка предназначена, для того чтобы новичок или потенциальный потребитель GPS несколько расширил свой кругозор в области GPS и геодезии. Это - не полное техническое руководство по GPS или учебник по геодезии. Существует много различных источников, из которых Вы можете почерпнуть более детальную

информацию на эту тему из других многочисленных источников.

Издание разбито на две основные части. В первой рассказано о GPS и объяснено как она работает. Во второй описаны основные принципы геодезии.

Предисловие.

Основы GPS -1.0.1ru

1. Что такое GPS и зачем она

GPS – сокращение от NAVSTAR GPS, что является аббревиатурой от Глобальная НАВигационная Система для Определения местоположения по Времени И Дальности. GPS – это решение одной из самых давних и наиболее неприятных проблем человека. Она предоставляет ответ на вопрос, «В каком месте на планете Земля я нахожусь?».

Можно вообразить, что на этот вопрос есть простой ответ. Вы можете легко определить своё местоположение относительно объектов окружающих вас на местности. Но что, если таких объектов вокруг Вас нет? Что, если Вы находитесь в сердце пустыни или на просторах океана? В течение многих столетий, эта проблема решалась с

помощью навигации по солнцу и звездам. Также, на земле, геодезисты и геологи использовали опорные геодезические пункты, от которых выполнялись измерения или поиск пути.

Эти методы помогают не всегда. Солнце и звезды не видны сквозь облака. И даже с помощью наиболее точных методов измерений нельзя с высокой точностью определить своё местоположение.

После второй мировой войны, это стало очевидным Министерству обороны США, которое приступило к решению проблемы точного, абсолютного координирования. В течение следующих 25 лет были осуществлены несколько проектов и экспериментов, включая Transit, Timation, Loran, Decca и т.д. Все эти проекты позволяли определять координаты, но были ограничены по точности или функциональным возможностям.

В начале 1970-ых, был предложен новый проект - GPS. Эта концепция обещала удовлетворить все потребности правительства США, а именно, необходимость в определении местоположения с высокой точностью, в любой точке земной поверхности, в любое время, в любых метеорологических условиях.

GPS – это спутниковая система, которая использует созвездие из 24 спутников для обеспечения пользователя точными координатами. Теперь давайте определимся с тем, что значит «точно». Для путешественника или солдата в пустыне необходима точность 15 м. Кораблю в прибрежных водах необходима точность 5 м. Землеустроителю необходима точность 1 см или менее. GPS может использоваться для решения всех этих задач, разница только в используемых GPS приёмниках и методик измерений.

Изначально GPS задумывалась для военного использования в любое время на всей поверхности Земли. Вскоре после того, как были сделаны первые предложения, стало очевидно, что гражданские пользователи могут также использовать GPS, и не только для персонального координирования (что было предназначено для военных). Первые две главных гражданских областей применения это морская навигация и геодезия. В настоящее время диапазон задач решаемых с помощью GPS расширился от навигации автотранспорта до автоматизации управления строительной техникой.

Основы GPS -1.0.0ru

Что такое GPS и зачем она

Краткий обзор

2 Краткий обзор

2.1 Космический сегмент.

Полная структура GPS состоит из трех различных сегментов:

• Космический Сегмент - Спутники, облетающие по орбите Землю.

• Сегмент Управления - Станции, расположенные вблизи от экватора, необходимые для управления спутниками.

• Сегмент Пользователя – Любой, кто принимает и использует сигнал GPS.

Космический Сегмент состоит из 24 спутников, облетающих по орбите Землю на высоте приблизительно 20 200 км каждые 12 часов. В настоящее время на орбитах находятся 26 действующих спутников.

Созвездие спутников GPS.

Космический сегмент спроектирован таким образом, что в любой момент в вашем распоряжении будет минимум 4 спутника, видимых выше 15° над горизонтом в любой точке земной поверхности. Четыре спутника - минимум, который необходим для решения большинства прикладных задач.

Опыт показывает, что обычно в поле зрения находятся, по крайней мере, 5 спутников, видимых большую часть суток выше 15°, а весьма часто в вашем распоряжении будет 6 или 7 видимых спутников.

Спутник GPS.

Каждый спутник GPS имеет несколько очень точных бортовых атомных часов (эталонов частот). Часы работают на основной частоте 10.23 MГц. Она используется для генерирования сигналов, которые передаются спутником.

Краткий обзор

Основы GPS -1.0.0ru

Спутник постоянно передаёт две несущие волны. Эти несущие волны находятся в Lполосе (используемой для радиопередач), и перемещаются к земле со скоростью света. Эти несущие образуются из основной частоты, генерируемой очень точными атомными часами:

• несущая L1 передаётся в диапазоне

1575.42 МГц (10.23 X 154)

• несущая L2 передаётся в диапазоне

1227.60 МГц (10.23 X 120).

Затем несущая L1 модулируется двумя кодами. C/A кодом или кодом Грубого / Захвата с частотой 1.023 MГц (10.23/10) и Р-кодом или Точным Кодом с частотой в

10.23 MГц. Несущая L2 модулируется

только одним кодом – Р-кодом с частотой

10.23 МГц.

Каждый спутник имеет свой индивидуальный код, по которому его идентифицирует приёмник. Коды могут быть также использованы как основа для измерения псевдодальностей, а по ним и вычисляются координаты.

основной

частоты

10.23 МГц

x154

x120

Структура сигнала GPS.

1575.42 Mhz

1227.60 Mhz

ч10

C/A Code

1.023 Mhz

P-Code

10.23 Mhz

P-Code

10.32 Mhz

Основы GPS -1.0.0ru

Краткий обзор

2.2 Сегмент Управления.

Сегмент Управления состоит из одной главной станции управления, 5 контрольных станций и 4 наземных антенн, равномерно распределенных вблизи экватора.

Сегмент Управления отслеживает спутники GPS, обновляет их орбитальное положение и выполняет калибровку и синхронизацию их часов.

Следующая важная функция - это определение орбиты каждого спутника и предсказание траектории его движения на следующие 24 часа. Эта информация загружается в каждый спутник и входит в передаваемый сигнал. Это позволяет GPS приёмнику иметь информацию о том, где может находиться каждый спутник, что пригодится для его быстрого обнаружения на небесной сфере.

Спутниковые сигналы принимаются на станциях в Асценсионе, Диего Гарсия и Кваджалейне. Затем измерения отсылаются главной станции управления в Колорадо Спрингс где они обрабатываются с целью обнаружения ошибок в сигнале каждого спутника. Затем информация отсылается назад четырём контрольным станциям, оборудованным наземными антеннами, и загружается в спутники.

Расположение станций Сегмента Управления.

Краткий обзор

Основы GPS -1.0.0ru

2.3 Сегмент пользователя.

Сегмент пользователя включает любого, использующего GPS приёмник для приёма сигналов GPS и определения своего местоположения и/или времени. Обычные сферы применения в пределах сегмента пользователя – это навигация транспортных средств, туризм, геодезические измерения, судовождение, воздушное передвижение, управление строительной техникой и т. д.

Основы GPS -1.0.0ru

Краткий обзор

3. Как работает

Существует несколько различных методов для получения координат с помощью GPS. Выбор зависит от точности, необходимой потребителю и типа имеющегося GPS приёмника. Вообще говоря, методы могут быть разделены на три основных класса:

Автономная навигация - используется единственный (автономный) приёмник. Используется туристами, штурманами для навигации судов находящихся вдали от берега и военными. Точность определения координат около 100 м для гражданских потребителей и приблизительно 20 м для военных потребителей.

Дифференциальное координирование. Более известное как DGPS, позволяет получать координаты с точностью 0.5 - 5 м. Используется для прибрежного кораблевождения, сбора данных для ГИС (Географическая Информационная Система), в сельском хозяйстве и т. д.

Дифференциальные фазовые измерения. Позволяет получить точность 0.5 - 20 мм. Используется для геодезических измерений, управления строительной техникой и т. д.

Как работает GPS

Основы GPS -1.0.1ru

3.1 Простая навигация.

3.1.1 Определение координат спутника.

Это - наиболее простая методика, которую используют GPS приёмники, для мгновенного получения координат и высоты и/или точного времени. Получаемая точность может быть выше 100 м (обычно около 30 - 50 м) для гражданских пользователей и 5 – 15 м для военных. Причины возникновения столь большой разницы между гражданскими и военными пользователями приведены позже в этом разделе. Приемники, используемые для операций данного типа обычно маленьких размеров, портативные карманные устройства с низкой ценой.

Определение координат с помощью GPS основано на измерении расстояния от спутников до GPS приёмника, находящегося на поверхности Земли. Это расстояние до каждого спутника может быть определено GPS приёмником. Основная идея – решение обратной засечки, которую множество геодезистов используют в своей ежедневной работе. Если Вы знаете, расстояние до трёх точек относительно собственного положения, то Вы можете определить координаты точки стояния относительно этих трёх точек. По расстоянию до одного спутника, мы знаем, что положение приёмника должно быть некоторой точкой на поверхности воображаемой сферы, центром которой является спутник. Определив точку пересечения трёх воображаемых сфер, мы получим положение приёмника.

Карманный GPS приёмник.

Основы GPS -1.0.1ru

Пересечение трех воображаемых сфер.

Как работает GPS

Проблема состоит в том, что по сигналу GPS можно определить лишь псевдодальности и время.

Таким образом, для решения имеются четыре неизвестных величины: координаты (X, Y, Z) и время прохождения сигнала. Выполнив измерения сигналов от четырёх спутников, мы получим четыре уравнения, которые могут быть решены, что позволит определить эти неизвестные величины.

Для определения трёхмерного положения и времени нужны, по крайней мере, четыре спутника.

Как работает GPS

Основы GPS -1.0.1ru

3.1.2 Вычисление расстояния до спутника.

Для того чтобы вычислить расстояние до каждого спутника используется один из законов движения Исаака Ньютона:

Расстояние = Скорость x Время

Например, можно вычислить расстояние, пройденное поездом, если Вы знаете, скорость его движения и время, в течение которого он двигался с этой скоростью.

Для GPS измерений необходим приёмник, вычисляющий расстояние от приёмника до спутника.

Скорость – это скорость прохождения радиосигнала. Радиоволны распространяются со скоростью света, 290 000 км в секунду (186 000 миль в секунду).

Время – это время, затраченное радиосигналом на прохождение от спутника до GPS приёмника. Вычислить его немного тяжелей, так как необходимо знать, когда радиосигнал покинул спутник и когда он достиг приёмника.

Вычисление времени.

Сигнал спутника модулирован двумя кодами - C/A кодом и Р-кодом (см. раздел 2.1). C/A код основан на сигналах времени генерируемых очень точными атомными часами. Приёмник также снабжён часами, которые используются для генерации соответствующего C/A кода. После чего GPS приёмник способен «найти соответствие» или корреляцию кода, полученного от спутника с кодом сгенерированным приёмником.

Сигнал приёмника

Сигнал спутника

C/A код – это цифровой код, называемый «псевдослучайным», т. е. появляющийся случайным образом. В действительности он далеко не случаен и повторяется тысячу раз каждую секунду.

Таким образом, мы можем вычислить время, затрачиваемое радиосигналом на прохождение от спутника до GPS приёмника.

Время,

необходимое

сигналу, чтобы

достигнуть приёмника

Основы GPS -1.0.1ru

Как работает GPS

3.1.3 Источники ошибок.

До сих пор мы принимали, что координаты полученные с помощью GPS очень точны и свободны от ошибок, но это далеко не так, потому что существуют несколько источников ошибок, которые снижают точность координат полученных с помощью GPS от (теоретически) нескольких метров до нескольких десятков метров. Эти источники ошибки:

1. Ионосферные и атмосферные задержки

2. Ошибки часов спутника и приёмника

3. Переотражение

4. Геометрическое Снижение Точности

5. Избирательный Доступ (S/A)

6. Шифрование кодовых данных - Anti Spoofing (A-S)

1. Ионосферные и атмосферные задержки.

Поскольку спутниковый сигнал проходит через ионосферу, его прохождение может быть замедлено, эффект, подобный преломлению луча света проходящего через стекло. Эти атмосферные задержки могут привести к ошибке в вычислении дальности, поскольку воздействуют на скорость сигнала. (Свет имеет постоянную скорость только в вакууме).

Ионосфера не вызывает постоянной задержки сигнала. Есть несколько факторов, которые оказывают влияние на величину задержки, вызванной ионосферой.

Как работает GPS

Основы GPS -1.0.1ru

a. Возвышение спутника. Задержка сигналов спутников находящихся низко над горизонтом будет больше, чем сигналов спутников расположенных высоко. Это происходит из-за увеличения расстояния, которое сигнал проходит через атмосферу.

Высокий спутник

Низкий спутник

b. Плотность ионосферы, на которую воздействует солнце. Ночью влияние

ионосферы весьма низкое. Днём солнце увеличивает воздействие ионосферы и замедляет сигнал.

Количество, на которое увеличивается плотность ионосферы, изменяется в соответствии с циклом солнечной активности.

Солнечная активность достигает максимума приблизительно каждые 11 лет. Следующий пик (солнечный

максимум) ожидается около 2000 года.

В дополнение к этому могут также происходить беспорядочные солнечные вспышки, которые также воздействуют на ионосферу.

Ионосферные ошибки могут быть смягчены с помощью одного из двух методов:

- Первый метод заключается в осреднении эффекта снижения скорости света, вызванного ионосферой. Этот поправочный коэффициент может быть затем применён к вычислениным дальностям.

Однако в этом случае мы полагаемся на некие средние условия, а очевидно, что эти средние условия далеко не постоянны. Поэтому этот метод не оптимальное решение для уменьшения ионосферной ошибки.

- Второй метод заключается в использовании «двухчастотных» GPS приёмников. Такие приёмники измеряют сигналы GPS L1 и L2. Известно что, когда радиосигнал проходит через ионосферу то скорость его замедляется, обратно пропорционально частоте. Следовательно, если сравнить время приёма двух сигналов, то можно точно оценить время задержки прохождения сигнала. Заметьте, что это возможно только с помощью двухчастотных GPS приёмников. В настоящее время большинство используемых приёмников одночастотные.

c. Воздействие на сигнал GPS водяных паров. Водяной пар, содержащийся в

атмосфере, также может воздействовать на сигнал GPS. Это воздействие, которое может приводить к снижению точности определения координат, может быть компенсировано с помощью моделей атмосферы.

Основы GPS -1.0.1ru

Как работает GPS

2. Ошибки часов спутников и приёмника.

Даже притом, что часы спутника очень точны (ошибка приблизительно 3 наносекунды), они иногда слегка уходят вперёд или назад, что вызывает небольшие ошибки, воздействующие на точность определения координат. Министерство обороны США контролирует часы спутников с помощью Сегмента Управления (см. раздел 2.2) и может исправить любой обнаруженный ход часов.

3. Ошибки из-за переотражения.

Переотражение происходит, когда антенна приёмника установлена рядом с большой отражающей поверхностью типа озера или здания. Спутниковый сигнал не достигает антенны по прямой, а сначала попадает на близлежащий объект. В результате на антенну попадает отражённый сигнал, что образует ложное измерение.

Переотражение может быть уменьшено с помощью специальных GPS антенн с встроенным защитным экраном (круглый, металлический диск приблизительно 50 см (2 фута) в диаметре), который предотвращают приём низко распространяющихся сигналов.

Для получения высочайшей точности, предпочтительней использовать антенну типа Choke-Ring, которая состоит из 4 или 5 концентрических колец вокруг антенного модуля, которые отфильтровывают любой не прямой сигнал.

Переотражение воздействует только на высокоточные измерения, такие, например как геодезические измерения. Простые карманные навигационные приёмники не используют методы фильтрации переотражённых сигналов.

Как работает GPS

Антенна Choke-Ring (кольцевой дроссель).

Основы GPS -1.0.1ru

4. Геометрическое снижение точности.

Геометрическое снижение точности (DOP)

- мера строгости спутниковой геометрии и связано с расположением спутников на небесной сфере. DOP может усилить воздействие ошибок определения координат спутника. Принцип может быть лучше проиллюстрирован схемами:

Хорошо расположенные спутники низкая неопределенность положения

Плохо расположенные спутники высокая неопределенность положения

На определение дальности до спутника воздействуют все выше описанные ошибки. В случае, когда спутники расположены на небесной сфере достаточно широко, искомое положение может находиться в пределах заштрихованной области на схеме, и границы возможной ошибки малы.

Когда спутники расположены близко друг к другу, размер заштрихованной области увеличивается, что увеличивает неопределенность положения.

В зависимости от типа измерений могут быть вычислены различные типы геометрического снижения точности или DOP.

VDOP - снижение точности по высоте. Дает снижение точности в вертикальном направлении.

HDOP - снижение точности в плане. Дает снижение точности в горизонтальном направлении.

PDOP - снижение точности положения. Дает снижение точности трёхмерного положения.

GDOP - геометрическое снижение точности. Дает снижение точности трёхмерного положения и времени.

Наиболее полезный DOP – это GDOP, так как это комбинация всех коэффициентов. Некоторые приемники, однако, вычисляют PDOP или HDOP, которые не включают временную составляющую.

Лучший путь уменьшения GDOP – это наблюдение как можно большего количества спутников. Помните, однако, что на сигналы от низко расположенных спутников ошибки воздействуют в большей степени.

Общее правило при геодезических GPS измерениях - лучше наблюдать спутники с углами возвышения 15° и выше. Наиболее точные координаты будут вычисляться в случае низкого GDOP, (обычно 8 или меньше).

Основы GPS -1.0.1ru

Как работает GPS

3.1.4 Почему армейские приёмники более точны?

5. Избирательный доступ (S/A).

Избирательный доступ – это процесс воздействия на GPS сигнал Министерством обороны США. Предназначен он для того, чтобы частные лица и недружелюбные иностранцы не пользовались полной точностью GPS. Воплощается воздействием на спутниковые часы техникой известной как «добавление псевдослучайного сигнала», который слегка изменяет время. К тому же передаваемые эфемериды (или траектория движения спутника) слегка отличаться от той, что в действительности. Конечный результат состоит в снижении точности определения координат.

Стоит отметить, что S/A воздействует на гражданских потребителей, использующих один GPS приёмник, для получения автономного положения. На потребителей использующих дифференциальные измерения S/A существенно не воздействуют.

В настоящее время (август 2000) правительство США отключило S/A.

6. Шифрование кодовых данных Anti-Spoofing (A-S).

Шифрование кодовых данных, подобно S/

A, является намеренным с целью препятствовать доступу к Р-кодовой части сигнала GPS гражданским лицам и неприятелю и следовательно вынудить их использовать C/A код, к которому применён S/A.

A-S шифрует Р-код в результате чего получается сигнал, называемый Y-кодом. Только пользователи, имеющие армейские GPS приёмники (США и их союзники) могут расшифровывать Y-код.

Армейский ручной GPS приёмник (с любезного разрешения Rockwell)

Армейские приёмники более точны, потому что они не используют C/A код для вычисления времени прохождения сигнала от спутника до приёмника, для этого они используют Р-код.

Несущая модулируется Р-кодом с частотой 10.23 Гц и C/A кодом с частотой

1.023 Гц. Следовательно с помощью Ркода дальности могут быть вычислены значительно точнее (в 10 раз), поскольку этот код генерируется 10 раз в секунду, а C/A код один раз в секунду.

Р-код часто подвергается шифрованию (A-S) как это описано в предыдущем разделе. Это означает, что только военные, снабжённые специальными GPS приёмниками, могут считывать этот зашифрованный Р-код (также называемый Y-кодом).

По этим причинам, пользователи военных GPS приёмников обычно получают координаты с точностью около 5 м, а гражданские пользователи сопоставимых GPS приёмников получат координаты с точностью лишь 15 -100 м.

Как работает GPS

Основы GPS -1.0.1ru

3.2 Дифференциальное координирование.

Многие из ошибок, воздействующие на измерение дальности до спутника могут быть полностью устранены или, по крайней мере, существенно уменьшены, с помощью дифференциальных измерений.

DGPS позволяет гражданскому потребителю увеличивать точность определения координат со 100 м до 2-3 м или менее, что крайне необходимо для многих чисто гражданских целей.

Основы GPS -1.0.1ru

DGPS референц-станция передающая поправки пользователям.

Как работает GPS

+ 44 hidden pages

Leica Введение в GPS User Manual [ru]

Specifications and Main Features

Frequently Asked Questions

User Manual