Главная Карта сайта Обратная связь Закладки

Кто на сайте?

Сейчас на сайте находятся:
 56 гостей 
Главная Статьи Мониторинг деформаций земной поверхности, зданий и сооружений спутниковыми системами
Спутниковая глобальная система позиционирования NAVSTAR GPS

Современный уровень развития науки и техники позволил создать за последние десятилетия принципиально новый, спутниковый, метод определения координат и их приращений, используя измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу и нахождения координат приемника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемому спутником, если его параметры движения и координаты известны.
Впервые возможность определения параметров движения искусственного спутника земли по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником, была экспериментально подтверждена в 1957 году группой советских ученых под руководством В.А.Котельникова.

В 1958 году в США уже начала разрабатываться спутниковая радионавигационная система первого поколения NNSS (Navy Navigation Satellite System), впоследствии получившая наименование «Транзит» (Transit) для навигационного обеспечения пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Для коммерческой эксплуатации спутниковая навигационная система «Transit» была предоставлена в 1967 году, причем количество гражданских пользователей вскоре существенно превысило число военных, позволяя с помощью малогабаритных приемников GEOCEIVER определять координаты с субметровой точностью. В 2000 году система была выведена из эксплуатации.

С запуском в СССР первого навигационного спутника «Космос-192» в 1967 году началось летоисчисление спутниковой навигационной системы «Цикада». Полностью система введена в эксплуатацию в 1979 году в составе четырех космических аппаратов, выведенных на круговые орбиты высотой 1000 км, наклонением 83 градуса и равномерным распределением плоскостей орбиты вдоль экватора. С течением времени в результате модернизации системы среднеквадратической погрешности определения места объекта достигла 80-100 м. В настоящее время «Цикада» имеет ограниченное применение в навигации.

Поколение первых навигационных систем обладали рядом существенных недостатков – недостаточная точность определения координат динамических объектов и отсутствие непрерывности в измерениях. Настоящую революцию в спутниковой навигации и геодезии произвели среднеорбитальные спутниковые системы следующего поколения – NAVSTAR GPS (NAVigation System with Time And Ranging Global Positioning System – навигационная система определения расстояний и времени, глобальная система позиционирования), разработанная в США, и ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система), разработанная в СССР.

С разработкой в 1960 году атомных часов стало возможным использовать для навигации сеть точно синхронизированных передатчиков кодированных сигналов. В 1964 году ВВС США начали разработку и испытания возможности использования для местоопределения широкополосных сигналов, модулированных псевдослучайными шумовыми кодами. Существовавшие программы ВМФ и ВВС США по разработке спутниковых систем нового поколения в 1973 году были объединены в одну технологическую программу «NAVSTAR GPS». В 1978 году начат вывод спутников системы на орбиту. К 1996 году развертывание системы было завершено, хотя еще до этого спутниковая навигация широко применялась как на транспорте и в быту, так и военными.

Летные испытания отечественной спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС были начаты в октябре 1982 года запуском спутника «Космос-1413». В 1995 году было завершено развертывание ГЛОНАСС до ее штатного состава – 24 космических аппарата. ГЛОНАСС является системой двойного назначения (военного и гражданского). Россия предоставляет систему в штатном режиме для гражданского, коммерческого и научного использования без взимания за это специальной платы. Это справедливо и для GPS – США также предоставляют ее без взимания платы. К сожалению, российские космические аппараты обладали меньшим временем функционирования на орбите, чем американские, поэтому в условиях слабого финансирования парк спутников системы ГЛОНАСС сократился до 15 единиц, притом, что минимально необходимое количество спутников на орбите для надежного определения места объектов составляет 18. К 2007 году планируется довести космическую группировку спутников ГЛОНАСС до минимально необходимого количества, а к 2012 году до полного состава.

Свою навигационную спутниковую систему создает и Европа. Так летом 2002 года Европейский Союз принял окончательное решение о создании европейской спутниковой системы Галилео (Galileo). Предполагается, что она должна быть: независимой от GPS, но взаимодействующей с ней; управляемой под международным контролем; более точной и доступной, способной быстро обнаруживать и оповещать о неисправности элементов системы; рентабельной; открытой для участия других партнеров. Начало эксплуатации системы ожидается в 2008 году. Галилео включает следующие сегменты: космический, региональный, локальный и сегмент потребителей. Группировка Галилео должна состоять из 30 космических аппаратов, находящихся на трех круговых орбитах с наклонением 56 градусов и высотой 23616 км, по 9 аппаратов на орбиту плюс один резервный на каждой. Предполагается, что Галилео дополнительно будет включать функции обмена данными, что позволит использовать ее для нужд поиска и спасения при взаимодействии с системой Коспас-Сарсат, управления движением в реальном времени и других задач. Однако первая часть проекта, входящая в региональный сегмент системы, - EGNOS самостоятельной не является и использует сигналы GPS и российской ГЛОНАСС.

Глобальная спутниковая навигационная система представляет огромное значение для различных областей деятельности человека: навигация в авиации, мореплавании и автомобильном транспорте, для геодезических работ различного назначения, в строительстве, мониторинге массивов горных пород и деформаций объектов.

Вследствие воздействия природной среды на человечество, к природным катаклизмам прибавились чрезвычайные ситуации, техногенные катастрофы и экологические бедствия, с тяжелыми и опасными для жизни людей последствиями.

Горные породы, слагающие Земную кору, под влиянием глубинных и внешних воздействий изменяют свои свойства, геометрию рельефа поверхности. Землетрясения, разливы рек, оползни, сели и провалы сопровождаются человеческими жертвами, разрушениями жилых и производственных зданий и сооружений. Особенно чувствительны к различным воздействиям и деформациям сложные гидротехнические объекты (плотины, шлюзы, дамбы, мосты), подземные сооружения различного назначения (шахты, тоннели, стволы шахт, скважины, ускорители, захоронения отходов), высотные сооружения (копры, башни, трубы и вышки).

Высокая концентрация людей, зданий и сооружений, инфраструктуры городов, промышленных объектов порождает огромную нагрузку на геологическую среду, вызывая ее изменение и преобразование. В свою очередь геологическая среда «реагирует» на внешние воздействия, что негативно сказывается на состоянии зданий и сооружений и другой инфраструктуры. Наиболее распространенным видом воздействия является статические нагрузки на толщу пород от веса зданий и сооружений. Под постоянным давлением сооружения грунты в основании фундамента сжимаются, и происходит осадка фундамента. Неравномерная осадка приводит к перекосам и прогибам оснований, наклонам (кренам) верхней части сооружений. При значительной величине осадки в фундаменте и стенах зданий появляются трещины и обрушения (рис. 1).

Мощным фактором воздействия на геологическую среду городов и больших мегаполисов является строительство подземных сооружений. Возведение и эксплуатация подземных объектов ведется в условиях интенсивного водоотлива от строящихся сооружений, вызывающего снижение гидростатических напоров и статических уровней горизонтов подземных вод. Таким примером является событие, произошедшее в Москве на Ленинградском проспекте в сентябре 2006 года.

Трещины и обрушения в фундаменте и стенах здания. Рис. 1. Трещины и обрушения в фундаменте и стенах здания.

Анализ чрезвычайных ситуаций в строительстве показал, что сооружения во время своей эксплуатации постоянно находятся в колебательном режиме под действием вибрации, т.к. испытывают нагрузки от сезонных смещений массива горных пород, изменения гидрологического режима и от рядом стоящих объектов различного назначения.[1] Это наложило определенный отпечаток на методы контроля, точность и расчет параметров сдвижения и деформации массива горных пород, зданий и сооружений, так как массив горных пород является отдельной системой (С-1) и объектом контроля со своими параметрами, гостами и критериями устойчивости, а здания и сооружения другой системой (С-2). Их параметры могут быть, как общими для этих систем, так и индивидуальными. Существует много средств и методов проведения диагностики деформации земной поверхности и различных сооружений. Точность измерения деформаций массива горных пород, зданий и сооружений маркшейдерско-геодезическими инструментами представлена в табл. 1. Амплитуда колебаний (смещений) различных сооружений может быть в пределах от долей мм до нескольких метров, а частота от 0,1 Гц до десятков недель. Поэтому критерием устойчивости к смещениям различного рода сооружений можно считать положение центра колебаний и допустимые амплитуду, частоту (длину волны) колебаний деформационных процессов проходящих в них, т.е. образуется случайное поле – параметры которого представляют различные множества.
Поэтому системы контроля С-1 и С-2 следует объединить в одну, общую систему. Точкой отсчета, для последующей оценки при мониторинге горнопромышленных сооружений и зданий, необходимо считать – данные контроля состояния колебаний объекта при его приеме в эксплуатацию. При единой системе контроля, мониторинг положения фундаментов зданий, сооружений и отдельных элементов позволит своевременно прогнозировать их напряженно-деформированное состояние и принять необходимые меры по обеспечению функционирования этих объектов [2].

Таблица 1. Точность измерения маркшейдерско-геодезическими инструментами
№ п/п Приборы, инструменты Точность измерений
1 Теодолиты 1'' - 30''
2 Фототеодолиты 0,5 - 2 мм
3 Нивелиры 0,5 - 3 мм
4 Оптические дальномеры 40 - 100 мм (до 100 м)
5 Светодальномеры 0,6 - 30 мм
6 Ультразвуковые дальномеры 5 мм на 1 м
7 Тахеометры 5 - 10 мм
8 Центриры (зенит отвесы) 1 - 7 мм (до h=100 м)
9 Лазеры 3 - 5 мм
- с отражателем от 0,2 мм
- с фотоприемником 100 - 2000 мкм
- сканеры 5 - 10 мм
- рулетки 3 - 5 мм (до 100 м)
10 Интерферометры единицы - десятки мкм
11 Датчики десятки мкм - ед.мм
Местоположение GPS-приемника на мосту Цинь Ма. Рис.2. Местоположение GPS-приемника на мосту Цинь Ма.

Глобальная спутниковая навигация принципиально изменяет традиционную технологию геодезических работ. По сравнению с последней она имеет следующие преимущества:

  • - непрерывность измерений, что возможно и в реальном масштабе времени, и с постобработкой;
  • - мониторинг земной поверхности, зданий и сооружений;
  • - результаты получаются в системе общего земного эллипсоида;
  • - обеспечивается полная автоматизация измерений и обработки результатов;
  • - высокоточное определение координат центров проектирования при аэро- и космической съемке;
  • - исключается необходимость располагать пункты с условием обеспечения взаимной видимости между ними;
  • - выполнение наблюдений в любую погоду, как в дневное, так и в ночное время;
  • - пункты могут выбираться исходя из требований съемки, в непосредственной близости к району работ, без учета конфигурации геодезической сети;
  • - полевые работы могут выполняться аппаратурой, не требующей от персонала высокой квалификации;
  • - время наблюдений на пункте, как правило, не превышает одного—двух часов, а в том случае, когда не требуется высокая точность измерений, может быть уменьшено до 1-2 мин;
  • - одновременная видимость нескольких спутников позволяет исключать основные источники погрешностей в спутниковых наблюдениях, в результате чего достижима точность определения относительных координат 1*10-6 и выше, что означает возможность конкуренции с наземными методами измерений.

Мониторинг деформаций инженерных сооружений (мостов, платин, башен и т.д.) с применением спутниковых технологий становиться обычным явлением. Мост Цинь Ма в Гонконге (рис.2.) известен как самый длинный мост в мире (длина 1377 м.) Мост несет автомобильную и железную дороги. При разных видах нагрузки мост испытывает деформации от нескольких сантиметров до нескольких метров влияющих на целостность конструкции. Рядом с ним построены еще два подвесных моста: Тинь Кау ( 1177 м.) и Кап Шуи Мун ( 820 м.).

Разработанная Департаментом автодорог Гонконга инструментальная система наблюдения в реальном времени за конструкциями с помощью GPS состоит из пяти подсистем: самих GPS приемников, систем сбора локальных и глобальных данных, системы компьютеров и оптико-волоконной сети, позволяющих более точно и надежно осуществлять мониторинг и оценку структурных изменений и состояния основных компонентов подвесных мостов с тросовыми растяжками и применять полученные результаты для планирования, проведения технических осмотров и технического обслуживания. В сеть GPS приемников входит две базовые станции и 27 (14+7+6) приемников, жестко установленных на различных точках конструкций трех мостов. Приемники двухчастотные, 24-канальные, темп сбора (частота фиксации) данных 10 Герц (10 раз в секунду), время латенции положения подвижной антенны 0,03 с. Обработка всей информации системы занимает 2 с. Фирма «Leica Geosystems AG» (Heerbrugg, Швейцария) предоставила приемники серии MC500 в качестве мобильных и базовых станций в системе GPS-OSIS, с антеннами типа «choke-ring» Leica AT504 на базовых станциях. В системе также использовалось пользовательское программное обеспечение для обработки GPS-данных фирмы «Leica Geosystems», оптоволоконные мультиплексоры TC1885 и TC8108 фирмы Nova Electronics, и две рабочие станции фирмы «Silicon Graphics» 540 [3].

Особенности измерений.

Спутниковые технологии благодаря своей высокой производительности позволили с высокой периодичностью получать информацию о деформациях земной поверхности на базах от первых метров до нескольких десятков километров, что было затруднительным при использовании традиционных методик измерений и, что очень важно, для обеспечения безопасности и эффективности горного производства. Для проведения спутниковых геодезических измерений используется большой парк одно- и двухчастотной аппаратуры, состоящий из 12 GPS-приемников геодезического класса фирм «Trimble» и «Sokkia».

Обычно спутники передают в своём сигнале информацию об их работоспособности. GPS приёмники игнорируют сигнал передаваемый с «нездорового» спутника. Перевод спутника в неработоспособный режим обычно осуществляется наземным сегментом слежения за спутниками по причине: вывода на орбиту нового спутника (производится тестирование его параметров); периодическое обслуживание, корректировка; специальное тестирование (период перед вводом спутника в работающее созвездие); восстановление работоспособности спутника. Информация о периодах неработоспособности спутников МО США доступна через Internet, например, на web-сайте: http:// www.schriever.af.mil/gps/ или ftp:// ftp.navcen.uscg.mil/gps/status.txt.

Исследование деформаций породного массива в мониторинговом режиме, подразумевает многократное, от цикла к циклу, выполнение точных геодезических измерений на одних и тех же пунктах сети, по одной программе работ с дальнейшим анализом изменений геометрических взаимосвязей между реперами. Из этого вытекает важная особенность геодинамических полигонов: возможность детального изучения условий проведения наблюдений на каждом пункте сети и использование их при планировании времени и периода проведения спутниковых измерений, специальная подготовка отдельных пунктов сети с целью устранения причин затрудненного или некачественного приема спутникового радиосигнала. Поскольку одним из самых главных требований производства высокоточных геодезических работ с применением GPS-оборудования является хорошая радиовидимость на всех определяемых пунктах, которая обеспечивается следующими факторами: низким значением коэффициента PDOP, высоким соотношением «сигнал/шум», качеством радиосигнала и отсутствием потери целых циклов при приеме радиосигнала, необходимо учитывать эти факторы заранее. Как показывает практика, благоприятными для производства измерений являются промежутки времени, когда обеспечивается прием спутникового радиосигнала от 7-8 и более спутников при коэффициенте PDOP меньшем 4. Если одновременно работают 2 и более GPS-приемников по результатам разности фаз спутникового радиосигнала возможно определение с миллиметровой точностью компонент вектора между двумя и более реперами наблюдательной станции. Жесткое требование условия одновременной работы 2 и более приемников спутникового радиосигнала в технологиях дифференциальной GPS обусловлено необходимостью исключения из результатов обработки погрешностей, вызванных влиянием ионосферы и тропосферы Земли. Как показывают исследования «Federal Geodetic Control Subcommitettee» («FGCS») и обширная практика выполнения практических работ, при выполнении геодезических работ на базисах менее 20 км для достижения точности измерения, равной 3 мм + 0,01 ppm, достаточно произвести накопление данных на пункте в течение 13-20 минут. Продление времени сеанса наблюдений до 30-60 минут позволяет получить избыточные данные, которые в дальнейшем используются при анализе точности геодезических построений. Поскольку реальным контролем точности геодезических построений являются независимые измерения на определяемых пункта, то программа полевых измерений, как правило, предполагает проведение повторных измерений на ряде пунктов сети.

В случае расположения объекта наблюдения недалеко от разлома земной коры, крайне важным представляется оценка реального движения объекта относительно земной коры. Она может быть выполнена путем установки нескольких базовых станций с последующим мониторингом базовых линий (как радиальных, так и линий между базовыми станциями). Это позволяет определять относительное движение этих базовых станций и реальное движение сооружения. Методика обработки данных с использованием региональных базовых станций (CORS) может быть наиболее эффективна в определении региональных деформаций земной коры, и это становится особенно ценным - позволяет спрогнозировать движение этих станций в будущем. В зависимости от целей и требуемой точности мониторинга используется несколько приемников на наблюдаемом сооружении совместно с несколькими базовыми станциями. Несколько GPS приемников, установленных на наблюдаемом сооружении, позволяет существенно повысить надежность получаемых результатов. Установка двух и более базовых станций за пределами сооружения и последующее вычисление базовых линий гарантирует, что движение свободно от смещения базовых станций [4].

Непрерывный мониторинг сооружений с использованием GPS систем приводит к тому, что внутрисуточные и сезонные эффекты сразу же проявляются в виде фонового шума в табличных данных и графиках. Реальное смещение конструкции легко различимо как уход от этого фона. Опыт в области мониторинга поверхностных деформаций позволяет сделать вывод, что подобные сигналы зачастую могут быть замаскированы большими значениями шумов. В качестве примера можно привести проект 3-х летних наблюдений за плотиной Pacoima в Калифорнии. Полученные данные говорят о том, что плотина подвержена ежегодному циклу смещений с пиковым значением амплитуды 18 миллиметров. Хотя специалисты использовали записи отчетов температуры взятых в точке расположенной 20 километров южнее плотины, ими была обнаружена четкая зависимость между дневной температурой и ежедневным движением плотины. Вычисленная функция реакции на импульсное возмущение была согласована с отчетами температуры для создания временных серий прогнозируемых деформаций, точно аппроксимирующих реальные данные о деформациях. Затем, после вычитания прогнозируемых смещений из измеренных, были получены записи остаточных смещений с исключенными данными термоупругих деформаций. Данная методика позволила распознать деформацию сооружения, возникающую вследствие наполнения водохранилища.

При проведении плановых работ по геодезическому мониторингу зданий (сооружений) необходимы более продолжительные наблюдения, а программный модуль должен осуществлять управление объемными базами данных измерений в неограниченном количестве проектов и иметь возможность пополнения, редактирования баз данных в соответствии с новой измерительной информацией, даже если она была получена спустя какое-то время.

Спутниковые измерения могут быть выполнены в результате использования несущей частоты, либо кодов модуляции, позволяющих получить псевдодальности. Кодовые измерения могут основываться на Р-коде и на C/A-коде. Каждый спутник NAVSTAR GPS излучает свой код, а спутники ГЛОНАСС используют единый код на все спутники. В памяти приемника хранятся все коды, по которым производится распознавание номера спутника (для NAVSTAR GPS), российские спутники распознаются по частоте излучения.

В геодезических работах в основном используют приемники, способные производить фазовые измерения на частоте L1 или двух частотах L1 и L2. Однако для определения поправок в часы приемника и обеспечения синхронной работы нескольких одновременно работающих приемников параллельно с фазовыми измерениями производят кодовые измерения с использованием С/А кода. По кодовым измерениям микропроцессор приемника автоматически вычисляет поправку и корректирует часы приемника с точностью 1 мс = 0,001 с.

Измерения фазы несущей более точны, чем псевдодальномерные, и гораздо менее подвержены влиянию многолучевости. Длина волны наибольшей из несущих частот L1 = 19,05 см, поэтому даже грубая интерполяция фазы дает сантиметровую точность. Согласно методике радиодальномерных измерений фазовые измерения имеют неоднозначность. Неоднозначность – это неизвестное целое число фазовых циклов восстановленной фазы несущих колебаний, содержащееся в неразрушенной последовательности измерений и обусловленное временем прохождения радиосигнала от отдельного спутника до конкретного приемника.

Фазу несущей можно определить из кодово-модулированного сигнала, используя код или другую методику. Сигнал L1, модулированный Р- и C/A-кодом, может, таким образом, отслеживаться Р- или C/A-кодовыми приемниками, а также бескодовыми. Сигнал L2, который следует использовать совместно с L1 для устранения ионосферных эффектов при очень точных определениях (точнее, 2*10-6 для относительных координат), не модулирован C/A-кодом, так что приемники для высокоточных определений должны иметь доступ к Р-коду или работать без кода.

Можно также отслеживать фазу модуляции Р-кодом (на частоте 10,23 МГц) или несущую сигналов Р-кода без знания самих кодов. Большая длина волны (примерно 30 м) этого сигнала по сравнению с несущей L1 диапазона позволяет легко разрешить неоднозначность целого числа циклов. Однако большая длина волны делает такие измерения более подверженными влиянию многолучевости.

По способам слежения за ИСЗ приемники классифицируются на одно- и многоканальные. Канал приемника предназначен для захвата сигнала ИСЗ и его обработки, заключающейся, в частности, в преобразовании аналогового сигнала в цифровые коды, из которых получаются непосредственно измеряемые величины, служащие для решения навигационных и геодезических задач. Эти коды поступают затем на вход вычислителя для их накопления и предварительной обработки. Одноканальным GPS приёмникам приходиться осуществлять последовательно захват каждого GPS спутника. По этому каналу осуществляется как слежение за спутниками, так и передача технической информации о состоянии спутника и системы в целом. Многоканальные GPS приёмники используют несколько каналов для слежения за несколькими спутниками одновременно. Многоканальные GPS приёмники работают более эффективно, чем одноканальные приёмники. В идеальных условиях, со стационарно расположенным С/А кодовым приёмником, когда нет никаких препятствий закрывающих видимость спутников, многолучевого переотражения или других факторов снижающих точность, разница практически будет незаметна. Однако в реальных условиях, когда приёмник передвигается или сигнал от спутников может прерываться, приёмники с большим числом каналов будут работать лучше. Вам необходимо иметь, по крайней мере, 4-х канальный GPS приёмник для выполнения высокоточных работ с использованием фазовых измерений. Это связанно с тем, что фазовому приёмнику требуется один канал на каждый спутник для выполнения измерений. Если GPS приёмник используется в качестве базовой станции, крайне желательно, чтобы отслеживался каждый видимый спутник. Поэтому, в настоящее время компаниями производителями оборудования предлагаются для таких задач приёмники с 9-12 или даже 40 каналами. При использовании рекомендуемой маски по углу возвышения, редко можно встретить место, где одновременно наблюдается более 9 спутников и никогда, если более 12 спутников. Надежность и точность - вот наиболее важные характеристики работы GPS приемника. Например, приемник компании Topcon серии GB или HiPer. Отслеживает сигналы L1/L2, С/А и Р код, полный цикл фазы несущей, использует режимы измерений Статика/Быстрая статика, RTK, Кинематика с постобработкой (Непрерывная и Стою-Иду) и точность измерений в плане (Статика/Быстрая статика): 3 мм + 1 мм/км (L 1+L2), 5 мм + 1,5 мм/км (L 1), по высоте 5 мм + 1,5 мм/км (L 1+L2), 6 мм + 1,5 мм/км (L 1) рис. 3.

Сорокаканальный двухчастотный приемник фирмы Topcon GB-1000 и контроллер Recon 400 Рис. 3. Сорокаканальный двухчастотный приемник фирмы Topcon GB-1000 и контроллер Recon 400

Источники погрешностей.

На точность измерений в системах спутниковой навигации влияют ряд факторов, которые мы и рассмотрим в этой части.

Одним из источников погрешности могут быть погрешности часов спутника и часов приемника. Для устранения возникающих отклонений, спутниковые синхронизаторы постоянно проверяются наземными станциями и сверяются с генератором главных тактовых импульсов. Погрешности и отклонения спутниковых синхронизаторов высчитываются и отправляются вместе с сообщениями, передаваемыми спутниками. При вычислении расстояния до спутников GPS-приемники вычитают погрешности спутниковых синхронизаторов из зафиксированного времени передачи, чтобы определить реальное время перемещения сигнала. Однако даже при самой лучшей работе генераторов главных тактовых импульсов по отслеживанию функционирования каждого из спутниковых синхронизаторов их погрешности не могут быть определены точно. Оставшиеся погрешности спутниковых синхронизаторов достигают порядка нескольких наносекунд, что вызывает погрешность расстояния около метра. Погрешности часов приемника исправляются благодаря наблюдению четвертого спутника. Поэтому вместо трех спутников теперь необходимо при определении местоположения необходимо наблюдение как минимум четырех спутников, однако при этом мы можем использовать в GPS-приемниках недорогие часы.

Скорость распространения электромагнитных волн зависит от состояния атмосферы. В различных областях науки и техники атмосферу разделяют по высоте над поверхностью Земли на различные участки с самостоятельными названиями. Верхние слои атмосферы, называемые ионосфера, содержат заряженные частицы, которые замедляют скорость движения кода и увеличивают несущую. Ионосфера вносит очень существенные искажения в результаты измерений, структура ионосферы довольно сложная и трудно учитывается. Она характеризуется электронной плотностью, которая может меняться в большом диапазоне даже в течение суток, так как зависит от солнечного излучения, солнечной активности, космического излучения и некоторых других факторов. За состоянием ионосферы ведут постоянные наблюдения, и ее обобщенные характеристики учитывают при приеме навигационных сообщений со спутника и передаче команд на него. Если атмосферные задержки сигнала не устранять, погрешность измерений составит более 10 метров. Некоторые приемники применяют математическую модель вычисления эффекта ионосферы. При получении приблизительной информации о концентрации заряженных частиц в ионосфере (передается со спутников), эффект воздействия ионосферы можно снизить до 50%. И все же оставшаяся погрешность велика. Воздействие ионосферы на электронные сигналы зависит от частоты сигнала. Чем выше частота, тем меньше воздействие. Поэтому, если мы передаем пакеты сигналов одновременно на двух частотах, то задержки кодов одной частоты будут отличаться от аналогичных задержек другой частоты. Мы не может измерить величину этих задержек, однако мы можем измерить их разницу через учет разницы времени прибытия сигналов. Получив эту разницу и подставив ее в известную формулу зависимости ионосферной задержки от частоты сигнала, мы сможем устранить эффект ионосферы. По этой причине все спутники GPS передают сигналы на двух частотах L1 и L2. Точные приемники для устранения эффекта ионосферы отслеживают оба сигнала. Двухчастотные приемники практически полностью устраняют ионосферные задержки.

Нижние слои атмосферы, содержащие водные пары, называются тропосферой. Они могут задерживать и код, и несущую. Эффект от тропосферы нельзя устранить, используя двухчастотные системы. Единственный способ устранения эффекта тропосферы - измерение содержания водяных паров, температуры, давления и использование математической модели для вычисления тропосферной задержки сигнала.

Сигнал со спутника приемник может принять вместе с сигналами, отраженными от поверхности Земли или окружающих предметов. В результате фазо­вые измерения производятся по суммарному сигналу, имеющему значительные искажения. Подобный эффект, когда часть спутникового сигнала принимается антенной приемника после отражения от подстилающей поверхности земли и других предметов, называется многолучевостью. При сильном отраженном сигнале максимальная вели­чина искажений результатов фазовых измерений может достигать 90°, а в линейной мере результаты фазовых измерений могут быть искажены на 5 см. Эффект многолучевости в значительной мере устраняется путем специальных методов обработки сигнала при обработке результатов измерений и исключить искаженные результаты измерений из расчетов, а также применением специальных технических решений в конструкции антенн приемников.

При измерении кода и несущей сами приемники могут также вызывать погрешности. Однако в высокоточных приемниках эти погрешности незначительны (менее одного миллиметра) для фазы несущей и несколько сантиметров для сдвига кода.

Какова зависимость между ошибкой по дальности и ошибкой при вычислении местоположения? Или сколько метров составит ошибка определения нашего положения при ошибке в один метр при определении псевдодальности до спутников?

Ответ зависит от количества и геометрии используемых спутников. Если четыре спутника расположены рядом, то один метр в измерении псевдодальности может вызвать погрешность в десятки или сотни метров при определении нашего местоположения. Однако если спутники расположены в разных частях неба, ошибка по положению может быть менее 1,5 м на каждый метр ошибки определения псевдодальности. Эффект влияния геометрии спутников на ошибку по положению называется коэффициентом геометрического ухудшения точности – PDOP (Position Dilution of Precision). Чем меньше значение этого коэффициента, тем выше точность измерений.

При обработке в результаты измерений необходимо вносить также поправки за вращение Земли и релятивистские эффекты.

Погрешности спутникового синхронизатора, орбиты, ионосферы, тропосферы, многолучевости и приемника дают обычно суммарную ошибку по дальности до 10 м, которая при типичном коэффициенте PDOP дает точность определения координат порядка 20 метров. Но в связи с тем, что в стандарт частоты спутника в режиме SA (режиме избирательного доступа) вносятся искажения, погрешность может составлять порядка 100 метров. Влияние этих погрешностей может быть существенно ослаблено путем синхронизированных измерений приращений координат несколькими приемниками.

Избирательный доступ позволяет искусственно вносить ошибки в координаты, получаемые с помощью GPS. Это загрубение точности осуществляется МО США двумя методами. Во-первых, это искусственные ошибки, вносимые в навигационные данные, передаваемые со спутника. Это так называемая эпсилон-окрестность, т.е. неавторизованный пользователь, не имеющий приемников способных исключить данный тип ошибок, в результате получает неточное местоопределение. Во-вторых, ошибки связанные со смещением шкалы спутниковых эталонов времени. В результате избирательного доступа значения местоположения, скорости и времени получаются с большими ошибками, чем без него. Если S/A неактивен и не применяется техника дифференциальной коррекции, то точность плановых координат с использованием одночастотного кодового приемника составит порядка 2- 5 метров, а при активированном S/A точность плановых координат с таким же приемником составит порядка 100 метров. Примечательно, что 1 мая 2000 года распоряжением президента США был отключен режим избирательного доступа, однако США оставляют за собой возможность отключения или искажения сигналов GPS на определенных территориях. Ситуация изменилась разительно. Специальные режимы работы (дифференциальный, двухчастотный, фазовые измерения) позволяют получать точность намного более высокую. Например, измерения фазы несущей в GPS-приемниках (реализованные в серийной и имеющейся на рынке аппаратуре) позволяют получать точность определения расстояний между приемниками порядка 1 см+1мм на 1 км. расстояния между ними.

Применение современных методов традиционной и спутниковой геодезии для наблюдений за процессом сдвижения земной поверхности на горных предприятиях позволяет проводить исследования на качественно более высоком уровне. В настоящее время измерениями охвачена не только ближняя зона техногенного воздействия добычи полезных ископаемых – мульда сдвижения при подземном способе разработке и прибортовой массив при открытом способе разработке, наблюдения в которой производились достаточно длительный период с использованием традиционных геодезических методов, но и дальняя зона влияния горных разработок, простирающая до нескольких десятков километров, в которой ранее измерения не проводились совсем, либо проводились в недостаточных объемах по причине высокой трудоемкости подобных работ. Измерения, проводимые с использованием современных геодезических комплексов показали свою высокую эффективность для решения задач геомеханики, благодаря чему стали возможными не только дискретные измерения, но и регулярный мониторинг напряжений, происходящих в земной коре, и контроль деформаций зданий и сооружений.

Литература:

  1. Гудков В.М., Спиридонов В.П. Критерии устойчивости горнопромышленных сооружений и зданий.Маркшейдерский вестник. № 2, 2004 г., с. 68-71.
  2. Спиридонов В.П. Деформации горных пород и сооружений, предупреждение чрезвычайных ситуаций.Минск: «Горная механика», № 1-2, 2004, с. 28-34.
  3. Kai-yuen Wong, King-leung Man, Wai-yee Chan «Мониторинг деформации мостов в Гонконге посредством метода кинематики в реальном времени».www.gfk.su.
  4. Панжин А.А. Результаты наблюдений за деформациями породных массивов методами спутниковой геодезии //Сборник трудов международной конференции « Геодинамика и напряженное состояние недр Земли».Новосибирск: ИГД СО РАН, 2001.

«Маркшейдерия и недропользование» №1 , январь-февраль 2007 г.

Если понравилась статья и вы хотите

 

Установите наш Яндекс.виджет и Вы всегда будете в курсе новых публикаций сайта «Маркшейдерское дело и геодезия». Яндекс.виджеты это коллекция дополнительных блоков, устанавливаемых пользователем на главную страницу Яндекса.

Читать полностью...
Система Orphus

Почта (e-mail)

Логин:
?
Пароль:



Присоединяйтесь

MarkscheiderGeo.ru в Google+    MarkscheiderGeo.ru на Facebook

Здравая мысль

Образованный человек тем и отличается от необразованного, что продолжает считать свое образование незаконченным.
Константин Симонов