Что такое вектор в gps измерениях

Введение в основы системы GPS

Подготовлено по материалам
«Mapping Systems: General Reference, Trimble Navigation Limited, 1996»

Система Глобального Позиционирования (GPS или Global Positioning System) является спутниковой и работает под управлением Министерства Обороны США. Система является глобальной, всепогодной и обеспечивает возможность получения точных координат и времени 24 часа в сутки.

1.1 Как работает GPS

Основы системы GPS можно разбить на пять основных подпунктов:

Спутниковая трилатерация — основа системы
Спутниковая дальнометрия – измерение расстояний до спутников
Точная временная привязка – зачем нужно согласовывать часы в приёмнике и на спутнике и для чего требуется 4-й космический аппарат
Расположение спутников – определение точного положения спутников в космосе
Коррекция ошибок – учёт ошибок вносимых задержками в тропосфере и ионосфере

1.1.1 Спутниковая трилатерация

Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников (если их положение в космосе известно). В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами. Предположим, что расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него.

Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер.

Третий спутник определяет две точки на окружности.

Теперь остаётся только выбрать правильную точку. Однако одна из точек всегда может быть отброшена, так как она имеет высокую скорость перемещения или находится на или под поверхностью Земли. Таким образом, зная расстояние до трёх спутников, можно вычислить координаты определяемой точки.

1.1.2 Спутниковая дальнометрия

Расстояние до спутников определяется по измерениям времени прохождения радиосигнала от космического аппарата до приёмника умноженным на скорость света. Для того, чтобы определить время распространения сигнала нам необходимо знать когда он покинул спутник.

Для этого на спутнике и в приёмнике одновременно генерируется одинаковый Псевдослучайный Код*

* — Каждый спутник GPS передаёт два радиосигнала: на частоте L1=1575.42 МГц и L2=1227.60 МГц. Сигнал L1 имеет два дальномерных кода с псевдослучайным шумом (PRN), P-код и C/A код. “Точный” или P-код может быть зашифрован для военных целей. “Грубый” или C/A код не зашифрован. Сигнал L2 модулируется только с P-кодом. Большинство гражданских пользователей используют C/A код при работе с GPS системами. Некоторые приёмники Trimble геодезического класса работают с P-кодом.

Приёмник проверяет входящий сигнал со спутника и определяет когда он генерировал такой же код. Полученная разница, умноженная на скорость света (

300000 км/с) даёт искомое расстояние.

Использование кода позволяет приёмнику определить временную задержку в любое время. Кроме того, спутники могут излучать сигнал на одной и той же частоте, так как каждый спутник идентифицируется по своему Псевдослучайному коду (PRN или PseudoRandom Number code).

1.1.3 Точная временная привязка

Как видно из сказанного выше, вычисления напрямую зависят от точности хода часов. Код должен генерироваться на спутнике и приёмнике в одно и то же время. На спутниках установлены атомные часы имеющие точность около одной наносекунды. Однако это слишком дорого, чтобы устанавливать такие часы в каждый GPS приёмник, поэтому измерения от четвёртого спутника используются для устранения ошибок хода часов приёмника.

Эти измерения можно использовать для устранения ошибок, которые возникают если часы на спутнике и в приёмнике не синхронизированы. Для наглядности, иллюстрации приведённые ниже рассматривают ситуацию на плоскости, так как только три спутника необходимо для вычисления местоположения объекта.

Если получены измерения с трёх спутников и все часы точные, то круг описанный радиус-вектором от третьего спутника будет пересекаться как показано на рисунке.

Однако, если часы в приёмнике спешат на 1 секунду, то картина будет выглядеть следующим образом.

Если сделать замер до третьего спутника, то полученный радиус-вектор не пересечётся с двумя другими как показано на рисунке.

Когда GPS приёмник получает серию измерений которые не пересекаются в одной точке, то компьютер в приёмнике начинает вычитать (или добавлять) время методом последовательных итерации до тех пор, пока не сведёт все измерения к одной точке. После этого вычисляется поправка и делается соответствующее уравнивание.

Если вам требуется третье измерение, то необходим четвёртый спутник для устранения ошибок хода часов в приёмнике. Таким образом, при работе в поле вам необходимо иметь минимум четыре спутника, чтобы определить трёхмерные координаты объекта.

1.1.4 Расположение спутников

Система NAVSTAR имеет 24 рабочих спутника с орбитальным периодом в 12 часов на высоте примерно 20200 км от поверхности Земли. В шести различных плоскостях имеющих наклон к экватору в 55° , расположено по 4 спутника. Указанная высота необходима для обеспечения стабильности орбитального движения спутников и уменьшения фактора влияния сопротивления атмосферы.

Министерство Обороны США (DoD) осуществляет непрерывное слежение за спутниками. На каждом спутнике расположено несколько высокоточных атомных часов и они непрерывно передают радиосигналы с собственным уникальным идентификационным кодом*. МО США имеет 4 станции слежения за спутниками, три станции связи и центр осуществляющий контроль и управление за всем наземным сегментом системы. Станции слежения непрерывно отслеживают спутники и передают данные в центр управления. В центре управления вычисляются уточнённые элементы спутниковых орбит и коэффициенты поправок спутниковых шкал времени, после чего эти данные передаются по каналам станций связи на спутники по крайней мере один раз в сутки.

1.1.5 Коррекция ошибок

Некоторые источники ошибок возникающих при работе GPS являются трудноустранимыми. Вычисления предполагают, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности всё гораздо сложнее. Скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130-290 км) и тропосферу, его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерения дальности. В современных GPS приёмниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.

Иногда возникают ошибки в ходе атомных часов и орбитах спутников, но они обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения.

Многолучёвая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок.

Раньше существовал ещё один источник ошибок – это Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A), искусственное снижение точности спутникового сигнала вводимое МО США. Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью GPS снижалась до 100 метров. Однако 1 мая 2000 года по решению президента США «Избирательный Доступ» был отключен. Кроме того, S/A можно исключить, применяя технику дифференциальной коррекции.

Ответы на наиболее часто задаваемые вопросы

Оглавление

Общие вопросы

В: На что влияет количество каналов в приёмнике?

О: В общем случае число каналов характеризует возможность одновременного приёма сигналов со спутников различных систем на разных частотах.

Например, чтобы отслеживать сигналы со спутниковых систем NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, BeiDou, Galileo на различных частотах, в т.ч. планируемых, требуется около 200 каналов.

Но на достоверность и скорость получения решения влияют также и алгоритмы чипсета, ответственного за обработку сигналов. Поэтому стоит рассматривать число каналов в приёмнике совместно с возможностями вычислительной обработки платы ГНСС, определяющие качество получаемого решения.

В: Как измерять высоту приёмника?

О: Высоту измеряют от центра пункта или наконечника вехи до середины прокладки антенны, специального выреза в антенне или ручки специального адаптера (по наклонной линии), так и до нижней части приёмника или антенны (по вертикальной линии).

Вопросы, связанные с режимом Статика

В: Как долго необходимо выполнять измерения на точке в статике?

О: Всё зависит от условий наблюдений и типа используемого оборудования. При работе можно руководствоваться следующей формулой:

30 мин+1 мин*L км, где L – расстояние между приёмниками.

В: Какую частоту записи выбрать?

О: Частота (интервал) записи или – период сбора данных об отслеживаемых спутниках.

В: Какое максимальное расстояние между приёмниками в режиме Статика?

О: Для одночастотных приёмников не рекомендуется выполнять измерения на расстояниях более 10 км. Для многочастотных приёмников пределом могут стать возможности программного обеспечения при обработке длинных базовых линий. Например, при работе с ПО TBC не рекомендуется обрабатывать базовые линии длиннее нескольких сотен километров.

Вопросы, связанные с режимом RTK

В: Какое максимальное расстояние между приёмниками в режиме RTK?

О: Для получения корректных результатов желательно выполнять работы на удалении не более 50 км от одиночной базы. При этом фиксированное решение можно получить и на большем расстоянии, но достоверность такого результата снижается по мере удаления от базы из-за неоднородных условий распространения спутникового сигнала.

В: Какая максимальная дальность радиосвязи в режиме RTK?

О: На дальность радиосвязи влияет множество факторов, например излучаемая мощность передатчика, чувствительность приёмника, частота и скорость передачи, условия распространения сигнала в окружающей среде и т.д.. Чтобы приблизительно оценить дальность работы по радио, вы можете воспользоваться программой PCC Range Estimator.

Например, при мощности передачи 4 Вт дальность радиосвязи в условиях прямой видимости составит около 10 км, а при мощности передачи 35 Вт – около 30 км (при использовании антенны с коэффициентом усиления 0 dBi).

Помните, что программа позволяет выполнить предварительный расчёт максимальной дальности радиосвязи, основываясь на стандартных формулах и параметрах окружающей среды.

В: Пытаюсь запустить RTK съёмку с использованием УКВ, устанавливаю одинаковые частоты на приём и передачу, но связи не происходит. Что я делаю неправильно?

О: Убедитесь, что установлены одинаковые протоколы и скорости на приём и передачу. Иногда из-за особенностей рельефа радиосигнал не может достичь приёмника. В таком случае воспользуйтесь модемом-ретранслятором радиосигнала, для увеличения дальности и сокращения зон с недоступной радиосвязью. Также, если вы осуществляете передачу данных по радио без получения соответствующего разрешения, то вполне возможно, что кто-то использует вашу частоту. В этом случае необходимо сменить частоту передачи данных.

О: Повторите попытку соединения с базой. Если ошибка всё равно появляется, то, скорее всего, на SIM картах не активирована услуга передачи данных по голосовому каналу или в данном регионе она не поддерживается оператором сотовой связи. Свяжитесь со службой технической поддержки оператора сотовой связи для уточнения деталей.

О: При работе в неблагоприятных условиях, особенно когда происходят частые потери и восстановления инициализации, рекомендуется выполнить измерение точки, произвести принудительный сброс инициализации и измерить точку повторно (например, как контрольную). Разности координат точки позволяют получить представление о точности съёмки.

Вопросы, связанные с обработкой данных

В: Для чего нужна калибровка (локализация)?

О: Калибровка применяется в том случае, если Вам не известны параметры системы координат, в которой необходимо выполнить работу. Для калибровки необходимо произвести спутниковые наблюдения на пунктах с известными координатами в искомой системе. Эту процедуру можно выполнить как в режиме RTK, так и при постобработке в офисе. В результате калибровки, с использованием метода наименьших квадратов, вычисляется набор параметров, позволяющий выполнить переход от системы WGS 84 к искомой системе координат известных пунктов.

В: Сколько требуется пунктов с известными каталожными координатами для калибровки и как они должны быть расположены?

О: Минимально необходимое количество пунктов зависит от особенностей программного обеспечения при вычислении параметров калибровки. Обычно требуется наличие не менее 4-х точек с известными плановыми и высотными координатами. Опорные пункты должны быть равномерно расположены по границе района работ, образуя замкнутую фигуру.

В: Для чего нужна модель геоида?

О: Модель геоида требуется для перехода от геодезических высот, получаемых в результате спутниковых наблюдений к высотам относительно уровня моря.

В: Где можно найти модель геоида и что с ней делать?

О: Вы можете скачать модель EGM2008 в формате .ggf. Затем модель необходимо сохранить в специальном разделе офисного и полевого программного обеспечения.

для Trimble Business Center это скрытая папка на ПК:

для Trimble Access это папка на контроллере:

для CHC Geomatics Office это папка на

ПК: ProgramFiles (x86)\HuaceNav\CHCGeomaticsOffice\Geoid\

для LandStar это папка на контроллере:

Если в результате прочтения данной статьи у Вас появились новые вопросы, или Вы хотите подробнее узнать об особенностях работы с геодезическим оборудованием в процессе обучающего курса, то Вы можете связаться со службой технической поддержки по телефону 8-800-250-91-91 или, написав на почту support@prin.ru.

Основным трендом сегодняшнего рынка получения геопространственной информации становится стремительное развитие решений для мобильного сканирования. Системы и программные продукты представляют не только именитые бренды, но и новые игроки данного направления.

Современные задачи, возникающие при проектировании, строительстве, эксплуатации зданий и сооружений требуют представления данных в трёхмерном пространстве, с высокой точностью и полнотой описывающих взаимное расположение частей зданий, сооружений, ситуацию и рельеф.

Для чего нужна автофокусировка и как она работает. Небольшая статья о самом главном.

Статья подскажет вам, как выбрать оптимальный комплект для нивелирования, не потратив лишнего.

Вы когда-нибудь задумывались над тем, чем сейчас в основном ограничены человеческие возможности и, в том числе, работа геодезиста? Каждый ответит по-разному на этот вопрос.

Коллеги, в этой статье вы узнаете как правильно выбрать штатив для ваших работ, под конкретный прибор и на что стоит обратить внимание.

Спутниковое ГНСС-оборудование уже давно стало основным инструментом геодезиста при выполнении практически любых видов работ. В этой статье вы узнаете чем нужно руководствоваться при выборе приемника.

Коллеги, представляем вашему вниманию статью, которая кратко, но ёмко рассказывает про этапность выполнения геодезического мониторинга.

Коллеги, предлагаем вашему вниманию статью о новом полевом программном обеспечении для управления приемниками PrinCe.

Процесс выбора контроллера порой затягивается на достаточно продолжительный срок и часто бывает ключевым фактором при выборе конкретного оборудования для полевых работ.

Возьмите оборудование PrinCe на тест-драйв и проверьте его именно в тех условиях, которые наиболее привычны для вас и зачастую далеки от идеальных, заводских.

Бурное развитие науки и техники, а также потребность в более быстром и мобильном определение местоположения, координат и приращений координат позволило создать принципиально новое направление в инженерных изысканиях – спутниковые методы измерения

В данном методе вместо привычных неподвижных пунктов государственной геодезической сети используются подвижные спутники, координаты которых можно вычислить на любой интересующий момент времени.

Принцип работы спутникового метода измерения заключается в определение расстояния от GPS приемника до спутника. Спутниковые измерения возможно производить в нескольких режимах, которые делятся на две группы: статические и кинематические.

Статические методы измерения являются более точными, но и требуют наибольших временных затрат. Время на одном определяемом пункте может колебаться от 30 минут до нескольких часов, в зависимости от необходимой точности и внешних условий. При данной методики измерений все GPS приемники стоят неподвижно на точках с известными координатами и на определяемых точках. Статические методы измерения обычно используются при создание геодезических сетей различного класса (государственная геодезическая сеть, городская геодезическая сеть, опорная геодезическая сеть и т.д.).

Кинематические методы измерения менее точны чем статические, и используется в основном для производства топографической съемки. Время производства измерений на одном определяемом пункте в среднем будет занимать не более минуты. При данной методике измерений один GPS приемник (базовый) стоит на точке с известными координатами, а второй GPS приемник (ровер) передвигается от точке к точке. Если на оба приемника, базу и ровер, установить радиомодем или GSM модем, то появится возможность использовать режим кинематики в реальном времени (Real Time Kinematics – КЕЛ). Режим RTK позволяет получить координаты и приращения координат непосредственно в момент измерения с высокой точность, при чем время стояния приемника на точке занимает несколько секунд.

Преимущества спутниковых методов измерения:

Высокая скорость производства работ; Мобильность GPS измерений; Возможность производства работ без прямой видимости между GPS приемниками; Возможность использования приемников на большом расстояние (до 30 км).

Наша компания предлагает Вам следующие виды работ выполняемые спутниковым методом:

Создание опорной геодезической сети и съемочной геодезической сети; Деформационный мониторинг зданий и строительных объектов; Топографическая съемка масштабов 1:500 – 1:10 000; Прикладная геодезия при сопровождении строительства; Наземное обеспечение при производстве аэрофотосъемки и воздушного лазерного сканирования; Установка, наладка и дальнейшее сопровождение постоянно действующих базовых GPS станций.