Определение координат по наблюдениям спутников навигационных систем выполняется абсолютными, дифференциальными и относительными методами. В абсолютном методе координаты получаются одним приемником в системе координат, носителями которой являются станции подсистемы контроля и управления и, следовательно, сами спутники навигационной системы. При этом реализуется метод засечки положения приемника от известных положений космических аппаратов (КА). Часто этот метод называют также точечным позиционированием.
В дифференциальном и относительном методах наблюдения производят не менее двух приемников, один из которых располагается на опорном пункте с известными координатами, а второй совмещен с определяемым объектом. В дифференциальном методе по результатам наблюдений на опорном пункте отыскиваются поправки к соответствующим параметрам наблюдений для неизвестного пункта или к его координатам, то есть наблюдения обрабатываются раздельно. Этот метод обеспечивает мгновенные решения, обычно называемые решениями в реальном времени. ВВ них достигается более высокая точность, чем в абсолютном методе, но только по отношению к опорной станции. В относительном методе наблюдения, сделанные одновременно на опорном и определяемом пункте, обрабатываются совместно. Это основное различие между относительным и дифференциальным методом, которое приводит к повышению точности решений в относительном методе, но исключает мгновенные решения.
В относительном методе определяется вектор, соединяющий опорный и определяемый пункты, называемый вектором базовой линии.
Наблюдения в реальном времени (абсолютные, дифференциальные или относительные) предполагают, что полученное положение будет доступно непосредственно на месте позиционирования, пока наблюдатель находится на станции. При пост-обработке результаты получают после ухода с пункта наблюдений. В каждом из трех указанных методов определений координат возможны измерения как по кодовым псевдодальностям (по фазе кода), так и по фазе несущей. Точность кодовых дальностей имеет метровый уровень, в то время как точность фазовых измерений лежит в миллиметровом диапазоне. Точность кодовых дальностей, однако, можно улучшить, если использовать метод узкого коррелятора или сглаживание по фазе несущей, достигая при этом дециметровый и даже более высокий уровень точности. В отличие от фаз несущих колебаний, кодовые дальности фактически не содержат
неоднозначностей. Это делает их невосприимчивыми к потерям счета циклов (то есть изменениям неоднозначностей фазы) и, в некоторой степени, к препятствиям на пункте. Для фазовых же измерений критическим моментом является разрешение их неоднозначностей.
Точность абсолютного метода позиционирования по кодовым GPS измерениям определяется возможностями Службы стандартного позиционирования (SPS) или Службы точного позиционирования (PPS). При выключенном режиме селективного доступа SA гражданским пользователям стандартное GPS позиционирование обеспечивает в 95% случаев точность 15 м. Возможности абсолютного метода по измерениям фазы ограничиваются точностью эфемерид и параметров часов спутников. Использовать бортовые данные спутников при их метровом уровне точности нецелесообразно, а точные апостериорные эфемериды появляются с большой задержкой. Поэтому абсолютное позиционирование по фазе несущей пока применяется редко. Точность дифференциального и относительного метода значительно выше, чем в соответствующих вариантах абсолютного метода, и может достигать сантиметрового и даже более высокого уровня. Однако следует обратить внимание на два момента. Во-первых, поскольку в этих методах координаты неизвестных пунктов находятся относительно опорного пункта, то погрешности координат этого пункта полностью войдут в координаты определяемых точек, то есть вся развиваемая сеть оказывается смещенной. Во-вторых, поскольку координаты определяемых пунктов используются для вычисления компонент
базовых линий, то это также будет сказываться на точности определения приращений координат между опорным и определяемым пунктом. В каждом из методов возможны наблюдения в режимах статики и кинематики. При статических наблюдениях оба приемника находятся в стационарном положении относительно Земли, а при кинематическом позиционировании один из приемников является стационарным, а другой – движущимся. Оба приемника одновременно наблюдают одни и те же спутники.
Потеря захвата сигнала спутника для статического позиционирования не является настолько важной, как при кинематическом позиционировании. Статическое позиционирование позволяет накапливать данные, добиваясь повышения точности. Относительное позиционирование по фазовым измерениям является наиболее точным методом определения положений и наиболее часто используется геодезистами. Преимуществом кинематического позиционирования является его возможность получать траекторию движения транспортного средства, на котором установлена спутниковая аппаратура. Техника фазовых наблюдений значительно сложнее техники кодовых измерений. Во-первых, это объясняется необходимостью обеспечивать непрерывность измерений фазы несущей. При наблюдениях кодовым приемником каждое измерение производится независимо от остальных. Потеря захвата сигнала какого-либо спутника, как правило, не влияет на полноту остальных данных. Поэтому, в принципе, можно ограничиться однократным фиксированием координат, если устраивает их точность. При фазовых измерениях для разрешения неоднозначностей фазовых отсчетов наблюдений одной эпохи недостаточно. Поэтому, чтобы набрать необходимый объем данных, наблюдения проводят достаточно длительное время. Во-вторых, разный уровень точности наблюдений по кодам и по фазе предполагает соответствие вспомогательного оборудования обработки и т. п.
Объединение GPS и ГИС
Географические информационные системы (ГИС) представляют собой компьютерное средство, способное накапливать, хранить, управлять, анализировать и выводить на экран и другие носители пространственно распределенные данные. Пространственные данные – это данные, которые распознаются в соответствии с их географическим положением (такие объекты, как улицы, дороги, здания, пожарные гидранты и т. д.).
Пространственные или географические данные можно получить из таких разнообразных источников, как, например, существующие карты, снимки из космоса и GPS. Когда информация накоплена, ГИС хранит ее как набор слоев в своей базе данных. После этого ГИС можно использовать для анализа информации и эффективного принятия решений. Системы СРНС используются для сбора полевых данных ГИС эффективно и точно. С GPS приемником данные могут собираться в цифровом формате в режиме реального времени или в пост-обработке. Сейчас на рынке имеется несколько систем GPS/ГИС, которые обеспечивают уровень точности от сантиметра до метра. Большинство из этих систем позволяют пользователю вводить атрибуты для каждого объекта съемки. Имеются также встроенные навигационные функции, позволяющие повторно определять положение объектов собственности.
Некоторыми производителями GPS аппаратуры выпускаются системы с компьютерным пером, позволяющие редактировать данные в процессе сбора. В залесенных районах ГЛОНАСС/GPS приемники обычно теряют захват сигналов спутников. В дополнение к этому затрудняется прием поправок при работе в режиме RTK. Чтобы преодолеть эти проблемы, были разработаны системы, объединяющие спутниковый приемник с лазерным дальномером (лазерной рулеткой). В этом способе объединенная система устанавливается на открытом месте, где нормально функционирует GPS приемник без потери захвата спутников. С помощью цифрового компаса, безотражательного дальномера, расположенного вместе с приемником, можно определять расстояние и азимут до недоступных точек. Программа, установленная в ручном компьютере, помогает собирать данные и дальномера, и приемника. В последнее время вся доступная информация обрабатывается программой компьютера, определяя координаты недоступных точек. Сбор и обработка данных могут происходить в реальном времени, в поле, при условии, что обеспечивается прием дифференциальных поправок. Как только обработка сделана, пользователь может экспортировать выходные данные в нужную ГИС.
Объединение GPS приемника и лазерного дальномера
Объединение GPS приемника и лазерного дальномера является привлекательным средством, особенно в лесном хозяйстве. Расстояния до деревьев, их высоту и диаметр можно легко измерять лазерным устройством. Разработано несколько видов навигационных систем счисления координат для морского, воздушного и наземного применения. У ряда наземных подвижных объектов имеются одометрические системы счисления координат на основе счета числа оборотов стандартного колеса и проектирования полученных данных на координатные оси с использованием данных курсовой системы. Информация о пройденном расстоянии получается по одометру, а информация о направлении – по гироскопу. Если средство стартует с известного положения, то информацию о расстоянии и направлении можно использовать для определения положения в любой момент. Иными словами, предположив, что средство движется в горизонтальной плоскости, пройденный путь и направление можно проинтегрировать по времени, чтобы вычислить положение судна.
Объединение GPS и геодезических работ
Среди самых быстро растущих применений GPS нужно отметить
геодезические работы и управление механизмами на открытых карьерах.
Использование GPS на открытых карьерах и разрезах может значительно
уменьшить стоимость различных операций. Доступность GPS позиционирования в реальном времени на сантиметровом уровне точности привлекает внимание шахтной индустрии. Это главное, почему точное GPS позиционирование является ключевым компонентом, который ведет к автоматизации тяжелых и дорогих механизмов и машин. К сожалению, как и в предыдущих случаях, сигналы от спутников будут практически блокироваться по мере увеличения глубины карьера. Поэтому надежное позиционирование только по спутникам GPS в глубоких открытых карьерах невозможно.
Использование псевдоспутников
Одна обещающая система для усиления GPS, гарантирующая высокоточное позиционирование, состоит в использовании системы псевдоспутников (или псевдолитов). Псевдоспутник – это электронный прибор наземного базирования, который передает GPS-подобный сигнал (несущая частота, кодовая модуляция и сообщение с данными), который может быть принят GPS приемником. В отличие от спутников GPS, на которых используются атомные генераторы, в псевдолитах для генерации сигналов используются недорогие кварцевые часы.
Объединение GPS/ГЛОНАСС и средств мобильной связи
Технология сотовой связи становится широко принятой во всем мире. И количество пользователей, и площади охвата постоянно расширяются. Кроме того, растет покрытие более совершенной цифровой связью, допускающей передачу голоса и данных. Это делает сотовую систему очень привлекательной для ряда рынков, включая службы спасения, системы контроля транспорта и GPS.
Главное ограничение систем мобильной связи – это их невозможность точно определять, откуда произведен вызов. Хотя это ограничение не является критическим для применений, подобных RTK GPS, оно крайне важно для служб спасения и автоматизированных систем контроля транспортных средств. В США, к примеру, почти 1/3 звонков в службу спасения 911 производится с мобильных телефонов. Из них почти 1/4 позвонивших не может точно описать свое местоположение, что создает трудности для операторов при посылке помощи. Поэтому Федеральная комиссия по связи (FCC) в США обязала с октября 2001 г. определять положения абонентов мобильной связи, обращающихся за помощью в службу 911, с точностью 127 м при вероятности 67% или лучше.
Технология определения положения с помощью телефонной трубки объединяет GPS с сотовой связью через установку чипа GPS в трубке мобильного телефона. При выключенном режиме селективного доступа в этом методе можно определять положение абонента службы 911 с точностью, которая в 10 раз превосходит требования FCC. В отличие от сетевого метода, технология мобильных трубок очень проста в применении и не требует установки на базовых станциях телефонной сети специального оборудования (например, GPS приемников, определяющих точное время). Один из недостатков этой технологии состоит в том, что только новые телефоны могут быть оборудованы GPS. Кроме того, сигнал от GPS очень слабый для его приема внутри зданий.
Комплексирование GPS с баровысотомером
Точность определения высоты кодовым приемником можно повысить, комплексируя его с баровысотомером. К примеру, имеющиеся на российском рынке приборы GARMIN eTrex Vista и GPSMAP 76S являются 12-канальными кодовыми приемниками. Они имеют встроенные в корпус приемника баровысотомер и цифровой компас. Паспортная точность определения высоты составляет 2 – 5 м.
Недостатком измерений барометром является дрейф нуль-пункта,
коррелируемый с перемещениями воздушных масс. При начальной точности 1м через час точность быстро ухудшается до 10 м. По аналогии с DGPS, использование барометрической базовой станции, размещаемой на известной высоте, значительно улучшает результаты, а также их временную стабильность.