Дифференциальный режим GPS

Наиболее эффективным средством исключения ошибок является дифференциальный способ наблюдений - DGPS (Differential GPS). Его суть состоит в выполнении измерений двумя приемниками: один устанавливается в определяемой точке, а другой - в точке с известными координатами - базовой (контрольной) станции.

Поскольку расстояние от ИСЗ до приемников значительно больше расстояния между самими приемниками, то считают, что условия приема сигналов обоими приемниками практически одинаковы. А, следовательно, величины ошибок также будут близки. В режиме DGPS измеряют не абсолютные координаты первого приемника, а его положение относительно базового (вектор базы). Использование дифференциального режима позволяет практически полностью исключить влияние режима SA и довести точность кодовых измерений до десятков сантиметров, а фазовых - до единиц миллиметров. Наилучшие показатели имеют фазовые двухчастотные приемники. Они отличаются от фазовых одночастотных более высокой точностью, более широким диапазоном измеряемых векторов баз и большей скоростью и устойчивостью измерений. Однако современные технологические достижения позволяют одночастотным фазовым приемникам по характеристикам приблизиться к двухчастотным.

Одной из особенностей режима DGPS является необходимость передачи дифференциальных поправок от базового приемника к определяемому. При этом различают два метода корректировки информации:

1. Метод коррекции координат, когда на станции и в определяемой точке наблюдают одни и те же ИСЗ, а затем в качестве дифференциальных поправок с базовой станции передают добавки к измеренным в определяемом пункте координатам. Недостатком этого метода является то, что приемники базового и определяемого пунктов должны работать по одному рабочему созвездию. Это неудобно, поскольку все потребители, использующие дифференциальные поправки должны работать по одним и тем же ИСЗ. В этом случае не обеспечивается наилучшее значение PDOP во всех определяемых пунктах.
2. Метод коррекции навигационных параметров, при использовании которого на базовой станции определяются поправки к измеряемым параметрам (например, псевдодальностям) для всех спутников, которые потенциально могут быть использованы потребителями. Эти поправки передаются на определяемые пункты, где уже непосредственно в GPS - приемнике вычисляются поправки к координатам. Недостатком этого метода является повышение сложности аппаратуры потребителей.

Метод DGPS может быть использован двояко. Если необходимо вычислять координаты в режиме реального времени, то необходим надежный радиоканал для передачи дифференциальных поправок, а в состав GPS - приемника должен входить радиомодем. Если же передача поправок не выполняется, то можно использовать режим постобработки. В этом случае результаты измерений обоих приемников записываются на устройства памяти приемников (например, магнитные карты), а после прекращения измерений накопленная информация обрабатывается специальным ПО и вычисляется точное значение вектора базы.

Передача дифференциальных поправок по радиоканалу может выполняться по выделенным частотным линиям, на частотах любительских радиостанций, по системам спутниковой связи (например, INMARSAT), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM - радиостанций. Причем иногда даже нет необходимости иметь GPS - приемник на базовой станции, поскольку во многих странах уже действует развитая сеть DGPS - станций, постоянно транслирующих поправки на определенную территорию. Например, в прибрежной зоне Северной Америки, Европы, Австралии и Новой Зеландии развернуты сети радиомаяков для морской DGPS -навигации. Американская корпорация DCI (Differential Corrections Inc.) распространяет дифференциальные поправки на всю континентальную часть США, используя для ретрансляции радиосигналов спутники связи Galaxy. Подобные сети станций действуют и на территориях многих европейских стран.

Примером подобной сети может служить шведская сеть станций DGPS, которая носит название SWEPOS. В ее состав входят 21 станция (Reference Station).

Станции равномерно разбросаны по всей территории Швеции . Координаты точек земной поверхности вычисляются в системе SWEREF 93, которая является шведским вариантом EUREF 89. Система SWEREF 93 с точностью до метра совпадает с WGS 84. Кроме того, точно известны параметры перехода в национальную плановую (RT 90) и высотную (RH 70) системы координат. Система SWEPOS может использоваться как в реальном времени, так и в режиме постобработки. Для определения координат в режиме реального времени  могут использоваться сигналы только двенадцати станций. На этих станциях (SWEPOS reference station) непрерывно производятся GPS-измерения, а их результаты передаются в центр управления (Control Centre). Полученные дифференциальные GPS- поправки передаются пользователям системы на FM – частотах через систему Epos компании Teracom (Kaknä s tower) и ретранслятор (P3 transmitter).

При этом достигается точность определения плановых координат на уровне метра. Кроме того, точность зависит от типа сервиса Epos: базовый (Basic) или улучшенный (Premium). Доступ к системе SWEPOS осуществляется по подписке.

Для определения координат точек местности в режиме постобработки  необходимо иметь данные не менее, чем четырех станций SWEPOS. При этом может быть достигнута сантиметровая точность результатов в координатной системе SWEREF 93. При этом продолжительность измерений двухчастотным приемником должна быть не менее двух часов. Вообще, точность измерений зависит от длительности измерений, типа приемника и антенны, а также программного обеспечения, используемого для обработки данных. Например, при использовании одночастотного фазового приемника можно получить метровую точность результатов при продолжительности измерений порядка нескольких минут. Данные о дифференциальных

GPS-поправках, полученные после обработки сигналов всех станций, доступны пользователям (User) спустя 4 часа после окончания измерений. Информация может быть передана с центра управления (Control Centre) через Internet или по каналам модемной связи.

Примером глобальной сети DGPS- поправок может служить система OmniSTAR . Она использует сеть станций  для сбора информации об ошибках, вводимых в GPS- сигнал Министерством обороны США.

Собранные данные распределяются одним из центров управления сетью . Всего существует 3 центра управления сетью OmniSTAR по всему миру. Оттуда данные передаются на борт к одному из семи геостационарных спутников , распределенных по всей земной поверхности. Далее каждый спутник передает данные о дифференциальных GPS- поправках в пределах своей области обслуживания . Сигналы поправок системы OmniSTAR могут быть получены через радиоканал GPS- приемником и доступны по подписке.

Сеть OmniSTAR обладает устойчивостью и избыточностью:

1. Все станции сбора информации имеют дублированные каналы связи с соответствующим центром управления сетью;
2. Европейский спутник использует два канала, переключение между которыми осуществляется автоматически;
3. Европейский континент имеет два уровня обслуживания дифференциальными GPS- поправками;
4. Формируемые системой OmniSTAR поправки не зависят от какой- либо конкретной станции;
5. Сигнал системы OmniSTAR сигнал не подвержен влиянию гроз или электрических полей.

Работа сети непрерывно контролируется центрами управления сетью. Имеются два различных типа подписки на систему OmniSTAR: VBS (Virtual Base Station) и VRC (Virtual Reference Cell).

VBS - подписка. Внутри приемника рассчитывается оптимальная для данного положения приемника дифференциальная поправка. При этом используется информация от всех станций сбора данных. Такая методика называется технологией Виртуальной Базовой Станции (VBS). Использование VBS-подписки гарантирует суб-метровую точность в пределах большой области и обеспечивает избыточность системы. Величины поправок не зависят от сигналов какой-либо конкретной станции- выполняется интегрированная обработка сигналов от всех станций. В свою очередь, VBS- подписка подразделяется на такие типы:

·                                 OmniSTAR VBS 2000 - может использоваться в любой точке европейской зоны действия системы;

·                                 OmniSTAR VBS 200 - доступна в пределах круга радиусом 200 км. Локализация центра круга может быть определена пользователем.

·                                 OmniSTAR VBS 20 - может использоваться в круге с радиусом 20 км. Локализация центра круга также определяется пользователем.

VRC- подписка. Данный вид подписки является более дешевым вариантом для пользователя, постоянно работающего в пределах ограниченной территории. При этом для формирования сигналов дифференциальных поправок используются сигналы всех станций, но поправки пересчитываются не на любую точку местонахождения пользователя, а только на одну указанную пользователем точку. С удалением от этой точки точность ухудшается. Зона действия системы OmniSTAR захватывает почти всю поверхность земного шара.

Система подписки достаточно гибка. Для постоянных пользователей системы используется годовая подписка. Для тех, кто не использует сигнал OmniSTAR постоянно, доступны 100, 200 или 300- часовые подписки. Учет наработанного времени ведется с помощью электронного счетчика, встроенного в приемник. Для тестирования приемника пользователем при его покупке счетчик выставляется на 20 ч. Возобновление или продление подписки можно выполнить через каналы спутниковой связи.

Приемники системы OmniSTAR. Ряд DGPS приемников 3000L представляет собой результат многолетних научно-исследовательских работ. Приемники выполнены по самой последней технологии. Они имеют высокий уровень интеграции и высокий уровень помехозащищенности. На рынке представлено несколько разновидностей данного ряда приемников:

3000LR - полнофункциональный приемник, помещающийся в полевой сумке. Имеет дисплей и набор кнопок для ввода команд оператора кнопки, вход антенны, входы/ выходы источника питания и интерфейса для обмена данных.

3000LR8 - в добавление к предыдущей модели содержит встроенный 8-канальный GPS- приемник.

3000LR12 - аналогичен 3000LR8, только имеет 12- канальный приемник.

Другим классом приемников системы OmniSTAR являются полнофункциональные модульные OEM- приемники, которые устанавливаются как блоки в составе другого оборудования. Например, приемник 3000LM имеет вход антенны, входы/ выходы источника питания и интерфейса для обмена данных, а также светодиодные индикаторы состояния прибора. Другие разновидности приемников этого класса - 3000LCC и 3000LCE.

Новый приемник 7000L представляет собой полнофункциональный DGPS- приемник со встроенной антенной. Он может устанавливаться на крыше автомобиля.

Приемники системы OmniSTAR позволяют выполнять настройку и управлять конфигурацией через порт ввода/вывода, т.е. система, в состав которой входит такой приемник, способна управлять им через программное обеспечение. Кроме того, через тот же самый порт может осуществляться ввод/вывод данных.

В случае, когда пользователь работает в зоне действия более, чем одного центра управления сетью, система автоматически производит необходимые переключения в соответствии с текущим положением пользователя. На участках земной поверхности, где сигнал системы резервируется, могут осуществляться автоматические переключения пользователя на резервное обслуживание, если основной сигнал передается с помехами.

В настоящее время ведутся работы по реализации общеевропейского радионавигационного плана. Разработан специальный стандарт пересылки поправок DGPS, который называется RTCM SC - 104. Все производители GPS - приемников используют его для реализации дифференциального режима работы своей аппаратуры.

В геодезических приложениях нашли применение исключительно дифференциальные методы GPS - измерений, поскольку только с их использованием возможно определение координат точек местности с требуемой точностью.

Имеется несколько методов выполнения наблюдений. Выбор конкретного метода зависит от следующих факторов:

·                                 требуемый уровень точности;

·                                 технические возможности приемника и наличие соответствующего программного обеспечения;

·                                 характер окружающей местности и метеоусловия (радиопомехи, рельеф, гроза);

·                                 наличие ограничений на переезд между наблюдаемыми пунктами и расстояние между ними;

·                                 конфигурация спутниковой системы и количество наблюдаемых спутников, наличие средств связи.

Для решения различных задач: определения точных координат отдельных точек, последовательных измерений местоположения множества точек, непрерывных координатных определений в процессе движения автомобиля и др. - в рамках DGPS- режима разработан ряд методов выполнения измерений. Эти методы отличаются технологией выполнения работ и получаемой точностью вычисления вектора базы.

Статический метод (Static Positioning)

Название метода означает, что приемники не перемещаются в течение всего наблюдательного интервала. Базовый приемник и приемник с неизвестными координатами одновременно выполняют наблюдения и записывают данные в течение 15 минут - 3 часов. Такая длительность сессии вызвана необходимостью определения целочисленной неоднозначности фаз в начале сессии. Этому способствует и заметное изменение со временем конфигурации спутниковой системы. Одночастотные приемники используются для измерения баз длиной до 10-15 км, а двухчастотные - для баз длиннее 15 км (преимущества двухчастотных приемников заключаются в возможности адекватного моделирования эффекта воздействия ионосферы, а также меньшей продолжительности наблюдений для достижения заданной точности). После завершения сеансов наблюдений данные, полученные каждым приемником, собираются вместе, вводятся в компьютер и обрабатываются с помощью специальных программ с целью определения неизвестных координат пунктов.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1. для двухчастотных приемников:
   1. в плане: 5 мм + 1 мм/км * D;
   2. по высоте: 10 мм + 1 мм/км * D;
2. для одночастотных приемников:
   1. в плане: 5 мм + 1 мм/км * D - (при D < 10 км);

5 мм + 2 мм/км * D - (при D > 10 км);

2. по высоте: 10 мм + 2 мм/км * D).

Данный метод используют для решения задач контроля национальных и континентальных геодезических сетей, мониторинга тектонических движений земной поверхности, наблюдения за состоянием дамб, фундаментов атомных электростанций и др. сооружений.

Псевдостатический метод (Pseudo-Static Positioning)

Отличается от статического тем, что обеспечивает более высокую производительность съемки за счет выполнения наблюдений в течение нескольких коротких сессий вместо одной длинной. Один приемник непрерывно наблюдает на базовом пункте. Перевозимый приемник после наблюдений в течение 5 - 10 минут на определяемом пункте выключается и перевозится на следующий определяемый пункт, где вновь включается на 5 -10 минут. Затем вновь выключается и перевозится на следующий пункт и т.д. Каждый определяемый пункт необходимо посетить еще раз на 5 минут через 1 час после первого посещения. Этот метод практически эквивалентен статическому, но вместо того, чтобы ожидать в течение 1 часа изменения конфигурации спутников, наблюдения проводятся в течение 5 минут, а следующие 5 минут наблюдаются одним часом позже, когда конфигурация существенно изменилась. Остающиеся 55 минут можно использовать для посещения дополнительных неизвестных пунктов. Точность получаемых результатов будет на уровне статического метода. Для наблюдений могут использоваться как одночастотные, так и двухчастотные приемники. Метод удобен, когда необходимо в течение короткого времени произвести точное измерение координат большого количества точек. Недостатком метода является необходимость точного планирования графика посещения пунктов.

Быстростатический метод (Rapid Static Positioning)

Этот метод был разработан в последние годы. Он позволил значительно увеличить производительность GPS съемки. Метод отличается от псевдостатического тем, что достаточно лишь одного посещения определяемых пунктов (в течение 5-10 минут - в зависимости от расстояния между опорным и определяемым пунктами). Поначалу, на этапе появления данного метода, для наблюдений подходили лишь двухчастотные Р- кодовые приемники. В настоящее время некоторые одночастотные приемники можно также использовать в быстростатическом режиме.

Кинематический метод “стой-иди” (Stop-and-Go Kinematic Positioning)

Метод позволяет получить положения пунктов так же быстро, как и в случае использования электронного тахеометра при решении топографических задач. Метод требует выполнения короткой процедуры инициализации с целью определения целочисленных неоднозначностей фаз. После этого опорный приемник продолжает непрерывно наблюдать на пункте с известными координатами, второй приемник перевозится (во включенном состоянии) на первый определяемый пункт, где вновь наблюдает 1 минуту. Затем он посещает все остальные определяемые пункты (лишь по одному разу).

Наиболее распространенными являются следующие процедуры инициализации:

·                                 обмен антеннами, когда второй приемник находится на “пункте обмена” (знание его координат не обязательно), выбранном на расстоянии не более 10 м от опорного, выполняется наблюдение 4-8 эпох, затем приемники переставляются (без выключения), меняясь антеннами и наблюдают 4-8 эпох (до нескольких минут), а после происходит обратная процедура обмена антеннами и выполнение наблюдений для 4-8 эпох;

·                                 стояние второго приемника в течение 1 минуты на втором пункте с известными координатами, причем этот второй пункт может быть на расстоянии не более 10 км от опорного пункта;

·                                 статический метод, когда определяемый пункт выбирается на расстоянии не более 10 км от опорного пункта, а сеанс наблюдений имеет продолжительность не менее 30 минут.

Недостаток метода состоит в необходимости непрерывного (и даже во время движения) наблюдения не менее 4 спутников одновременно. Если число наблюдаемых спутников падает до трех хотя бы на миг, необходимо вернуться на последний успешно посещенный определяемый пункт или вновь провести процедуру инициализации. Во избежание этого лучше всего обеспечить возможность наблюдения одновременно пяти или более спутников.

Точность метода при использовании фазовых наблюдений:

1. для двухчастотных приемников (5 спутников и две эпохи (2 сек ) наблюдений):
   1. в плане: 20 мм + 1 мм/км * D;
   2. по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D;
2. для одночастотных приемников:
   1. в плане: 20 мм + 2 мм/км * D;
   2. по высоте: 20 мм + 2 мм/км * D.

Метод эффективен при выполнении топографической съемки, когда за короткое время необходимо определить координаты большого числа точек, при построении цифровых моделей рельефа, определении местоположения объектов местности, имеющих форму ломаной линии (трубопроводы, дороги и пр.).

Кинематический метод со статической инициализацией (Kinematic with Static Initialization)

Метод очень похож на предыдущий. Точно так же на базовом пункте с известными координатами производится процедура инициализации, затем подвижный приемник перемещается в начальную точку маршрута движения и производит там наблюдения в течение нескольких минут. Далее подвижная платформа с приемником начинает движение по маршруту. GPS - измерения выполняются непрерывно во время движения с интервалом 1 сек. Точностные параметры метода те же, что и у “Stop-and-Go”. Чаще всего применяется для получения координат линейных объектов типа дорог, рек и т.д.

Кинематический метод с инициализацией “на ходу” (Kinematic with On - the Fly Initialization)

Данный метод не требует для инициализации размещения подвижного приемника на базовой станции - эта процедура выполняется непосредственно при движении транспортного средства по маршруту. Кроме того, если по какой- либо причине произошел срыв наблюдений (например, из-за проезда под железнодорожным мостом), процесс инициализации производится вновь без остановки движения. Точностные параметры и сферы использования метода не отличаются от других кинематических методов.