Глава 2. Сущность и понятие gps-приемников
Общая характеристика gps-приемников
GPS (Global Positioning System – система глобального позиционирования) - спутниковая система навигации, обеспечивающая измерение расстояния, времени и определяющая местоположение во всемирной системе координат WGS 84. 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?».
GPS-приёмник - радиоприёмное устройство для определения географических координат текущего местоположения антенны приёмника, на основе данных о временных задержках прихода радиосигналов, излучаемых спутниками группы NAVSTAR. В России с развитием системы ГЛОНАСС начался серийный выпуск ГЛОНАСС-приёмников рядом конструкторских бюро и организаций.
Определение координат с помощью GPS позволяет достигнуть фундаментальной цели геодезии - определение абсолютного положения с одинаковой точностью в любом месте на земной поверхности. Используя классические геодезические и топографические методы, мы всегда определяем положение относительно исходных геодезических пунктов, с точностью, зависящей от расстояния до этих пунктов. Поэтому GPS предоставляет существенное преимущество перед обычными методами. Наука геодезия – это основа для GPS, и, наоборот, GPS превратилась в главный инструмент геодезии. Это станет очевидным, если мы посмотрим на цели геодезии:
1. Создание и обслуживание национальных и глобальных трёхмерных геодезических опорных сетей на поверхности земли, с учётом того, что их положение изменяется со временем из-за смещений центров, закрепляющих пункты этих сетей.
2. Измерение и представление геодинамических явлений (движение полюсов Земли, приливно-отливные явления и подвижки земной коры).
3. Определение гравитационного поля земли, включая его временные изменения. Хотя большинство потребителей никогда не коснутся любой из вышеупомянутых задач, необходимо чтобы любой использующий GPS оборудование имел общее представление о геодезии.
Устройства, использующие в своей работе сигнал со спутников GPS, можно разделить на профессиональные, обладающие высокой точностью определения местоположения и бытовые. Первые в основном используются в военных целях, для геодезии и картографии, а вторые получили широкое применение в различных сферах современной жизни.
Профессиональное GPS оборудование отличается качеством изготовления компонентов (особенно антенн), используемым программным обеспечением, поддерживаемыми режимами работы (например RTK, binary data output), рабочими частотами (L1 + L2), алгоритмами подавления интерференционных зависимостей, солнечной активности (влияние ионосферы), поддерживаемыми системами навигации (например NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou), увеличенным запасом электропитания и разумеется, ценой.
Профессиональные GPS-приемники классифицируются как приемники геодезического класса и приемники ГИС-класса:
Геодезические приемники — устройства, используемые для геодезических работ. Состоят из приемного блока (геодезической антенны, совмещенной с приемо-передающим устройством) и контроллера (портативного компьютера в промышленном исполнении). Общее название для таких приемников - полевой комплект или ровер;
Приемники ГИС-класса — представляют собой промышленный вариант карманный персональный компьютер, в который встроено приемо-передающее устройство и антенна, с предустановленным специализированным ПО.
Геодезическое спутниковое оборудование подразделяется по типам:
Одночастотные GPS приемники, такие как Trimble R3 и Sokkia stratus - это самый простой и самый дешевый тип приемников. Этими приемниками можно производить измерения только в режимах с постобработкой и максимальное удаление роверного приемника от базового 15 км.
Двухчастотные GPS приемники, такие как gps Trimble 5700 и gps Javad Maxor. Режимы используются те же что и в одночастотных приемниках, но в связи с тем что у этих gps приемников две частоты время измерений сокращается вдвое и увеличивается дальность удаления роверного приемника от базового до 150 км.
Двухчастотные GPS приемники с RTK, такие как Trimble 5700 и gps приемник topcon HiPer. Основным отличием от предыдущих приемников является наличие режима координат.
Многочастотные GNSS приемники с RTK. Наличие нескольких систем позиционирования (GPS, ГЛОНАСС, Компас) позволяет выполнять работы в сложных условиях (в лесу, в городе с высотой строений больше трех этажей).
В целом, геодезические приемники дают лучшую точность определения координат, однако развитие технологий позволяет некоторым моделям ГИС-класса успешно их заменять.
Основа любого GPS-приемника — это чипсет, на котором он работает. Долгое время все приёмники выпускались с 12-канальными чипсетами. Кроме того, что 12 каналов не достаточно для быстрого «Холодного старта» — первоначального определения своего местоположения, такие приёмники нуждались в открытом небе, так как работали только с прямой видимостью спутников. На сегодняшний день все подобные приёмники считаются устаревшими и сняты с производства. В настоящий момент максимальное число каналов на профессиональном приемнике - 440 (два чипсета по 220 каналов в приемнике). Поскольку навигационные спутники вещают на разных частотах, для повышения точности, профессиональное оборудование определяет координаты с помощью всех доступных каналов всех видимых в данный момент времени спутников. Несмотря на то, что теоретически, количество каналов профессионального геодезического оборудования как отечественного, так и зарубежного, можно повышать за счет установки дополнительных чипсетов, в ближайшее десятилетие это нецелесообразно, так как 440 каналов хватит на одновременное слежение за всеми запущенными спутниками (что в принципе невозможно, т.к. приемник получает сигнал от спутников, находящихся в ограниченном секторе небесной сферы).
GPS приёмники по способу работы можно классифицировать следующим образом:
Статические – полученные координаты с помощью GPS-приёмника надо обработать специальными программами на персональном компьютере;
Кинематические – GPS-приёмник показывает координаты в реальном времени.
В околоземном пространстве развернута сеть искусственных спутников Земли (ИСЗ), равномерно «покрывающих» всю земную поверхность (Рис.2). Орбиты ИСЗ вычисляются с очень высокой точностью, поэтому в любой момент времени известны координаты каждого спутника. Радиопередатчики спутников непрерывно излучают сигналы в направлении Земли. Эти сигналы принимаются GPS-приемником, находящимся в некоторой точке земной поверхности, координаты которой нужно определить.
В приемнике измеряется время распространения сигнала от ИСЗ и вычисляется дальность «спутник-приемник» (радиосигнал, как известно, распространяется со скоростью света). Поскольку для определения местоположения точки нужно знать три координаты (плоские координаты X, Y и высоту H), то в приемнике должны быть измерены расстояния до трех различных ИСЗ (Рис.3). Очевидно, при таком методе радионавигации (он называется беззапросным) точное определение времени распространения сигнала возможно лишь при наличии синхронизации временных шкал спутника и приемника.
Рис.2. Сеть ИСЗ Рис. 3. Измерение дальности
Поэтому в состав аппаратуры ИСЗ и приемника входят эталонные часы (стандарты частоты), причем точность спутникового эталона времени исключительно высока (долговременная относительная стабильность частоты обеспечивается на уровне 10-13 - 10-15 за сутки). Бортовые часы всех ИСЗ синхронизированы и привязаны к так называемому «системному времени». Эталон времени GPS-приемника менее точен, чтобы чрезмерно не повышать его стоимость. Этот эталон должен обеспечивать только кратковременную стабильность частоты - в течение процедуры измерений.
На практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени ИСЗ и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника или «псевдодальность». Измерения расстояний до всех ИСЗ, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X,Y и H, но и поправка часов приемника ∆ t. Для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются координаты (X,Y и H) и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта. Таким образом, для выполнения необходимых навигационных определений надо обеспечить постоянную видимость с нее, как минимум, четырех спутников. После полного развертывания созвездия ИСЗ в любой точке Земли могут быть видны от 5 до 12 спутников в произвольный момент времени. Современные GPS-приемники имеют от 5 до 12 каналов, т.е. могут одновременно принимать сигналы от такого количества ИСЗ. Избыточные измерения (сверх четырех) позволяют повысить точность определения координат и обеспечить непрерывность решения навигационной задачи.
В состав системы входят:
созвездие ИСЗ (космический сегмент);
сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);
собственно GPS-приемники (пользовательский сегмент).