По трем точным измерениям

Рис. 8.10. Определение местоположения точки на плоскости

По трем неточным измерениям: 1 — точное

местоположение точки; 2,3,4 — варианты

Ошибочного определения местоположения точки.

Жирные окружности на рисунках соответствуют не истинным дальностям, а так называемым «псевдодальностям», т. е. расстояниям, измеренным по неточным часам приемников «GPS». Если начать изменять ошибочные расстояния с некоторым одинаковым шагом (в данном случае уменьшать), то можно в конце концов прийти не к трем, а к единственному правильному решению в точке 1. Точное местоположение точки 1 можно также установить, решив систему из трех уравнений с тремя неизвестными (правильными расстояниями до спутников). Таким обра­зом, в двумерном пространстве (на плоскости) три неточных измерения дают тот же точный результат, что и два точных измерения.

Программное обеспечение компьютеров приемников «GPS» построе­но таким образом, что когда в них поступают измерения, не дающие пересечения в одной точке, то в результате решения, по меньшей мере, четырех уравнений с четырьмя неизвестными (для трехмерного пространства) на­ходится единственная точка, соответствующая исправленным значениям расстояний до четырех навигационных спутников, т. е., таким образом, устраняется неточность хода часов приемника.

Для определения точного местоположенияискомой точки в трехмерном пространстве требуются, по меньшей мере, четыре неточных измерения расстояний (псевдодальностей) до четырех навигационных спутни­ков.

Для определения с необходимой точностью местоположения точек, в системах «GPS» учитывают и другие возможные источники ошибок.

Поскольку в системах «GPS» навигационные искусственные спутни­ки Земли используются как точки отсчета (т. е. как подвижные пункты геодезической сети), то орбиты спутников и местоположение каждого из них на орбитах (эфемериды) должны быть в любой момент времени точ­но известны. Поэтому каждый приемник «GPS» содержит в памяти сво­его компьютера «альманах», т. е. непрерывно обновляемый справочник, из которого может быть определено точное местоположение любого спутника орбитального комплекса на любой момент времени.

Незначительные отклонения местоположения навигационных спут­ников от теоретических орбит (ошибки эфемерид), связанные с влиянием гравитационного поля Солнца и Луны, а также давления солнечного све­та, обнаруживаются наземными контрольными станциями слежения. Вы­численные поправки к орбитам передаются обратно на спутники, заменяя собой прежнюю информацию в памяти бортовых компьютеров. Спутни­ки помимо непрерывной подачи кодовых радиосигналов ежеминутно пе­редают на Землю поправки к своему орбитальному положению, обновляя альманахи каждого приемника «GPS».

И, наконец, в системах «GPS» учитывают погрешности, связанные с задержками прохождения радиосигналов через ионосферу и тропосфе­ру Земли. Эти погрешности учитывают либо введением усредненных по­правок, либо использованием специальных приемников, работающих на двух радиосигналах разной частоты. В последнем случае, ионосферные и тропосферные задержки прохождения радиосигналов определяются непосредственно в ходе измерений, поскольку они обратно пропорцио­нальны квадрату частоты радиоизлучения.

Необходимость для определения местоположения точек измерения расстояний, по меньшей мере, до четырех навигационных спутников, не­обходимость учета разнообразных погрешностей измерения расстояний, а также назначение производимых измерений предопределили большое разнообразие конструкций приемников «GPS».

Приемники «GPS»

Все, получившие распространение в практике производства инженер­ных работ приемники, можно условно разделить на две обширные груп­пы.

К первой группе относят приемники, работающие по принципу после­довательного (поочередного) отслеживания и измерений расстояний до навигационных спутников рабочего созвездия.

Ко второй группе — приемники, отслеживающие и обеспечивающие измерение расстояний одновременно до четырех и более навигационных спутников, т. е. ведущие измерения параллельно.

Внутри каждой из этих двух групп существует большое разнообразие GPS-приемников различного назначения и конструктивных особенно­стей.

Одноканальные приемники, наиболее экономичные и дешевые, ис­пользуют в тех случаях, когда не требуется вести измерения «в режиме реального времени», т. е. непрерывно и не требуется измерения скорости объекта, на котором установлен приемник. Прежде чем вычислить коор­динаты местоположения, одноканальный приемник должен выполнить последовательно четыре отдельных измерения до четырех различных спутников. Вся операция по определению координат одной точки может занимать от 2 до 30 с, что во многих случаях может оказаться вполне при­емлемым.

Тем не менее, одноканальным приемникам свойственны некоторые недостатки:

- с помощью такого приемника нельзя производить измерения с под­вижного объекта (например, с автомобиля при кинематической съемке плана и продольного профиля автомобильной дороги);

- в ходе каждого цикла из четырех измерений приемник должен оста­ваться неподвижным;

- работа одноканальных приемников по определению координат пре­рывается в моменты, когда навигационные спутники передают свои информационные сообщения, прием и расшифровка каждого из которых занимает около 30 с.

Двухканальные приемники работают по следующему принципу. Ко­гда один канал приемника производит обработку результатов временных измерений до одного спутника, другой канал устанавливает радиокон­такт с очередным спутником для проведения измерений. Закончив цикл частичной обработки данных, первый канал мгновенно переключается на измерения до очередного спутника без потери времени на его «захват» и «прослушивание». Тем временем второй канал, называемый админист­ративным, обращается к следующему спутнику и т. д. Административ­ный канал используется для приема информационных сообщений спут­ников без прерывания процесса определения координат местоположения, и может быть использован для обработки временных измерений. Кроме того, современные двухканальные приемники программируются для сле­жения за более чем четырьмя спутниками и в тех случаях, когда за одним из рабочих спутников оказывается потерян контроль, мгновенно исполь­зуется другой, без перерыва процесса определения координат. Все это су­щественно ускоряет работу приемников.

Многоканальные приемники (непрерывного слежения). Такие прием­ники одновременно отслеживают 4 и более спутников. Многоканальные приемники, используемые при производстве инженерно-геодезических работ, могут иметь 4, 6, 8, 10, 12 и даже 24 канала слежения. Кроме оче­видного преимущества — непрерывного определения координат в режи­ме реального времени, скорости и траектории движения, многоканальные приемники могут обрабатывать сигналы всех спут­ников рабочего созвездия, видимых в настоящий момент на небосклоне, а некоторые приемники одновременно и спутников разных орбитальных систем: NAVSTAR (США) и ГЛОНАСС (Россия).

Одночастотные и двухчастотные приемники. Кро­ме приемников (одно/двухканальных и многоканаль­ных), работающих на одной частоте радиоволн в практи­ке инженерно-геодезических работ используют и много­канальные двухчастотные приемники, работающие с ис­пользованием кодов на двух частотах: 1575,72 MHz и 1227,6 MHz. Приемники такого уровня обеспечивают более точное определение координат точек местности, в связи с возможностью дифференцированного учета для каждого рабочего спутника ионосферных и тропосфер­ных задержек, а также обеспечивают быструю инициализацию (присваива­ние начальных значе­ний) приемника, что особенно актуально в местах, где могут час­то блокироваться сиг­налы спутников.

По точности определения коорди­нат и назначению различают приемники следующих классов:

- навигационного класса с точностью определения координат 150—200 м;

- класса картографии и ГИС с точно­стью определения координат 1—5 м;

- геодезического класса с точностью определения координат до 1 см.

Приемники навигационного класса точности призваны решать главным об­разом навигационные задачи на транс­порте, в народном хозяйстве (например, при поиске полезных ископаемых и т. д.) и отдыхе.

Приемники навигационного класса дешевы и компактны (рис. 8.11).

Приемники класса точности картографии и ГИС также относительно дешевы и доступны проектно-изыскательским и строительным организа­циям (рис. 8.12).

Рис. 8.11. Одночастотный Рис. 8.12.

12-канальный Одночастотный

GPS-приемник навигационного 12-канальный GPS-

класса точности «Eagle Explorer». приемник класса

точности картографии

и ГИС.

Точность приемников класса картографии и ГИС может быть существенно повышена при базовом варианте их использования в случае применения базовых станций (см. ниже п. 8.5) и они могут быть использованы при решении большинства инженерно-геодезических задач, включая за­дачи, решаемые в режиме реального времени (например, съемка плана и продольного профиля существующей автомобильной дороги с движу­щегося автомобиля).

Приемники геодезического класса точности весьма недешевы, одна­ко даже в автономном режиме работы обеспечивают определение коор­динат точек местности с точностью до 1—3 см в кинематическом режиме и до 1 см при статических измерениях, и поэтому применимы для реше­ния практически любых инженерно-геодезических задач.

При огромном многообразии приемников «GPS», обеспечивающих выполнение инженерно-геодезических задач на изысканиях и в строи­тельстве, нужно стремиться приобретать приемники и геодезические сис­темы, работающие не только с орбитальным комплексом США «NAVSTAR», но, прежде всего, работающие с отечественной навигаци­онной системой «ГЛОНАСС».