Вы здесь

Точность GPS измерений

Подготовлено по материалам
"Mapping Systems: General Reference, Trimble Navigation Limited, 1996"

Точность GPS измерений различается от 1 сантиметра до более чем 15 метров, в зависимости от используемой аппаратуры, методики обработки данных и других факторов. Кроме того, на точность получаемых данных влияет ваш опыт и знание основ работы c GPS системами.

Помните, что точность определения плановых координат при использовании GPS обычно в 2-5 выше, чем высоты, независимо от местоположения на поверхности Земли. Если Вы используете оборудование и программное обеспечение (ПО), дающее точность плановых координат около 1 см, то точность по высоте составит 2-5 см. Это может стать решающим фактором, когда Вы используете оборудование с точностью плановых координат порядка 2-5 метров. В этом случае, точность определения высоты может быть хуже десятков метров.

В этом разделе Вы найдTте информацию о том, как добиться от вашего GPS оборудования максимально возможной точности.

4.1 Оборудование

Выбор оборудования напрямую зависит от точности, которую вам необходимо получить.

4.1.1 ПриTмники

Все GPS приTмники компании Trimble можно подразделить на две категории основываясь на том, как они обрабатывают GPS сигнал:

C/A (гражданского применения) кодовые приTмники, использующие информацию, которая содержится в спутниковом сигнале для вычисления местоположения объекта;
фазовые приTмники, которые используют сам радиосигнал для вычисления местоположения объекта.

Эти два метода обработки не являются взаимно исключающими. Некоторые C/A кодовые приTмники могут выполнять ограниченную обработку фазы, и все фазовые приTмники могут вычислять положения, основанные на кодовых измерениях. Без дифференциальной обработки, оба типа приTмников могут вычислять только положения, основанные на кодовых измерениях. Если Министерство Обороны США не запускает в действие программу избирательного доступа (Selective Availability или S/A), то точность определения местоположения составляет от 2-x до 5 метров. Более подробно о режиме избирательного доступа можно узнать здесь.

C/A кодовые приTмники

GPS приTмники компании Trimble применяемые для картографирования и ГИС приложений используют метод измерения сигнала основанного на C/A (Coarse/Acquisition) коде. Точность этих приTмников находиться в диапазоне от дециметровой до 5 метров (с дифференциальной коррекцией).

Кодовым приTмникам не нужно осуществлять непрерывный захват сигнала со спутников для вычисления местоположения. Это позволяет оборудованию работать на территориях с сильной застройкой и в местах с ограниченной видимостью, например, под деревьями.

Фазовые приTмники

Оборудование компании Trimble использующееся для съTмки территории и развития геодезических сетей работает с фазой несущей сигнала. Методы обработки фазы несущей сигнала требуют, чтобы несколько приTмников работало одновременно. Обычно, эти приTмники имеют точность до 1 см + 1 мм на 1 км расстояния между ними. Это расстояние обычно называют длиной базовой линии. Фазовые приTмники отличаются более строгими требованиями к постобработке и сбору данных. Если работа производиться в кинематическом режиме, то приTмники должны осуществлять непрерывный захват сигнала, по крайней мере от 4-х спутников для вычисления местоположения объекта. Фазовые приTмники требуют прямого прохождения сигнала со спутника.

Количество каналов

Для определения точных пространственных координат необходимо, по крайней мере четыре GPS спутника.

Внимание: GPS координаты могут быть получены по измерениям с 3-х спутников, если Вы знаете точное значение высоты. Однако, если высота (над эллипсоидом WGS-84) известна неточно, то ошибки в определяемых плановых координатах будут иметь тот же порядок, что и для высоты. Данный метод известен как вычисление плановых (2D) GPS координат. Плановые (2D) GPS координаты обычно имеют большие ошибки из-за проблем в определении точной высоты.

Одноканальным GPS приTмникам 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 приTмники используют несколько каналов для слежения за несколькими спутниками одновременно.

Многоканальные GPS приTмники работают более эффективно, чем одноканальные приTмники. В идеальных условиях, со стационарно расположенным C/A кодовым приTмником, когда нет никаких препятствий закрывающих видимость спутников, многолучTвого переотражения или других факторов снижающих точность, разница практически будет незаметна. Однако в реальных условиях, когда приTмник передвигается или сигнал от спутников может прерываться, приTмники с большим числом каналов будут работать лучше. Вам необходимо иметь, по крайней мере, 4-х канальный GPS приTмник для выполнения высокоточных работ с использованием фазовых измерений. Это связанно с тем, что фазовому приTмнику требуется один канал на каждый спутник для выполнения измерений.

Если GPS приTмник используется в качестве базовой станции, крайне желательно, чтобы отслеживался каждый видимый спутник. Поэтому, в настоящее время компания Trimble предлагает для таких задач приTмники с 9 или 12 каналами. При использовании рекомендуемой маски по углу возвышения, редко можно встретить место, где одновременно наблюдается более 9 спутников и никогда, если более 12 спутников.

ПриTмники Trimble использующиеся в качестве передвижных могут отслеживать по крайней мере 8 спутников одновременно. Это более чем достаточно для большинства приложений. Во время передвижения или при определении координат неподвижных объектов на местности для вычисления местоположения требуется минимум 4 спутника.

В настоящее время Trimble выпускает для задач геодезии и картографии приTмники 9 v 12 каналов, которые могут отслеживать непрерывно и одновременно максимальное число спутников.

C/A и P-кодовые приTмники

GPS спутники передают два кода на одной и той же несущей. ПриTмники для ГИС-приложений и картографирования, подобно большинству гражданских GPS приTмников, используют грубый C/A код. GPS спутники также передают точный код (P - код). Большинство военных приTмников армии США и их союзников используют P - код. Некоторые гражданские приTмники для топографической съTмки и создания опорных сетей могут использовать P - код в дополнении к C/A коду.

P - код немного более точен, но используется обычно военными потребителями. Когда Р-код зашифрован (так называемый Y - код) армейские приTмники имеют возможность расшифровки сигнала. Такое шифрование сигнала, также называется Anti-Spoofing (A/S) и применяется, когда Министерство Обороны США, считает это необходимым для обеспечения безопасности США.

4.1.2 Накопители данных

Компания Trimble выпускает несколько типов конфигураций накопителя TSC1 для использования с различными типами GPS приTмников. Они различаются функциональностью и объTмом встроенной памяти. Выбор накопителя не влияет на точность получаемых данных. Для каждого типа работ имеется оптимальная конфигурация, обеспечивающая наибольшую эффективность. Ваш выбор зависит от того, нужна ли вам детальная атрибутивная информация по объектам, какое количество объектов Вы собираетесь регистрировать в течение одного рабочего дня, и в каких условиях окружающей среды вам приходиться выполнять измерения.

4.1.3 Спутники

Сигналы от GPS спутников большую часть времени имеют искусственно заниженную точность при определении координат и скорости объектов. Система GPS была разработана и обслуживается Министерством Обороны США и еT главной задачей является обеспечение навигационными данными военных потребителей США и их союзников. В период становления системы МО США приняло решение о создании алгоритма, позволяющего закрывать доступ к высокоточным навигационным данным неавторизованным пользователям. В результате появились такие понятия как "Избирательный Доступ" (Selective Availability или S/A) и шифрование P-кода (Anti-Spoofing или AS). Эффект вызываемый S/A можно практически полностью нейтрализовать применением техники измерений под названием дифференциальная обработка (см. раздел 4.5.2)

Избирательный Доступ (Selective Availability или S/A) - отключен 1 мая 2000 года.

Избирательный Доступ позволяет искусственно вносить ошибки в координаты, получаемые с помощью GPS. Это загрубление 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 (пользователи, не имеющие приTмников способных исключить данный тип ошибок) в результате получают неточное местоположение. Во вторых, ошибки связанные со смещение 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 приTмника (например, серии Pathfinder) составит порядка 2-5 метров (с вероятностью 95 %). А при активированном S/A точность плановых координат с таким же приTмником составит порядка 100 метров (с вероятностью 95 %). Точность высотных отметок заявляется на уровне 10 метров (с вероятностью 95 %).

Шифрование сигнала (Anti-Spoofing)

A/S v это преднамеренное шифрование P- кода спутникового сигнала. Когда P-код зашифрован, он становиться так называемым Y-кодом. Шифрование вводиться для того, чтобы двухчастотный приTмник не был способен определить ионосферную задержку в реальном времени. Кроме того, измерения с P-кодом менее зашумлены и менее чувствительны к интерференции, так что закрытие доступа к P-коду делает решение задачи определения координат более грубым. Картографические приTмники Trimble не используют P-код, поэтому для них этот фактор не важен. Однако высокоточные геодезические приTмники обычно используют P-код.

Работоспособность спутников (?здоровье. спутников или Satellite Health)

Обычно спутники передают в своTм сигнале информацию об их работоспособности. Время от времени появляется уведомление о неработоспособности какого либо спутника. Однако это происходит довольно редко. GPS приTмники будут игнорировать сигнал передаваемый с ?нездорового. спутника. Перевод спутника в неработоспособный режим обычно осуществляется наземным сегментом слежения за спутниками по следующим причинам:

При проведении операции вывода на расчTтную орбиту во время запуска спутника. В этот период производится тестирование параметров спутника для определения точной модели орбиты КА и бортовой шкалы времени.
Периодическое обслуживание, например, корректировка орбиты и цезиевого (рубидиевого) стандарта частоты (времени).
Специальные тестовые периоды перед вводом спутника в работающее созвездие.
Периоды восстановления работоспособности спутника после устранения неисправностей в бортовых системах.

МО США извещает о периодах неработоспособности спутников. Эта информация доступна через Internet, например, на web-сайте: http://www.schriever.af.mil/gps/ или ftp://ftp.navcen.uscg.mil/gps/status.txt

Информация о состоянии всех спутников включается в альманах, передаваемый на каждый спутник. Данные альманаха обновляются ежедневно и передаются с каждого спутника приблизительно каждые 12.5 минут.

Если ваш GPS приTмник получил альманах, в котором содержится информация о том, что какой либо спутник ?нездоров., то приTмник не будет отслеживать и принимать данные от неработоспособного спутника до тех пор, пока альманах не будет обновлTн. Даже если спутник вернTтся в рабочее состояние, то приTмник начнTт использовать его данные, лишь после появления соответствующей информации в новом альманахе. GPS приTмник автоматически отслеживает эти изменения и выполняет обновления по мере необходимости.

Хотя ваш GPS приTмник обычно не использует сигнал от ?нездорового. спутника, Вы при планировании GPS измерений можете не принимать это во внимание для целей предсказаний. В этом случае Вы можете использовать информацию от ?нездорового. спутника или игнорировать ?здоровый. спутник. Если Вы игнорировали указание на то, что спутник ?нездоров., тогда ПО планирования расположения спутников будет предполагать, что спутник ?здоров.. Если же Вы игнорировали указание на то, что спутник ?нездоров. в ПО базовой станции, то сообщение будет игнорироваться и спутниковые данные будут записываться в базовый файл.

Доступность спутников в GPS ?созвездии.

GPS приTмник по умолчанию получает информацию от всех спутников. Это значит, что они используются во всех расчTтах (при условии, что они ?здоровые.). Некоторые GPS приTмники Trimble позволяют вам отключать ?здоровые. спутники. После этого приTмник не будет принимать сигнал от этих спутников.

Внимание! Вам вряд ли понадобиться когда-либо отключать ?здоровые. спутники. Это может пригодиться, например, для научных задач, чтобы ?заставить. приTмник работать при определTнной конфигурации созвездия GPS спутников.

Значение точности измерения расстояния от спутника до пользователя (URA или User Range Accuracy)

Значение точности измерения расстояния от спутника до пользователя (URA) включено в спутниковый сигнал. Это значение характеризует точность измерений от определTнного спутника. URA для каждого космического аппарата обычно отображается на экране приTмника (серия 4000) или контроллера (TSC1). Если значение URA больше 30, то скорее всего на спутнике был активирован режим Избирательного Доступа (S/A).

Расположение антенны

Спутниковый GPS сигнал может быть принят из любого направления. Для получения наилучшего результата, антенну необходимо установить в районе с максимально открытым участком неба (вплоть до горизонта). Небольшое количество воды или снега не воздействует на качество приTма сигнала. Металлические поверхности, здания, плотные кроны деревьев и т. п. блокируют сигнал. Мощные передатчики (особенно в микроволновом диапазоне) могут искажать GPS сигнал. Во время работы Вы должны стараться избегать участков через которые проходит сфокусированное микроволновое излучение или мест расположенных вблизи мощных радаров излучающих на радиочастотах близким к кратным значениям частоты L1 сигнала (1575 МГц).

Антенну базовой станции необходимо размещать в местах с наиболее открытым горизонтом. Если, например, базовая станция расположена в сильно застроенной территории, то передвижной приTмник может захватить спутник невидимый с базовой станции. В таком случае, данный спутник не может использоваться при выполнении дифференциальной коррекции, т. к. требуются одновременные наблюдения с 2-х GPS приTмников. Гораздо труднее создать идеальные условия наблюдений для передвижного приTмника. Старайтесь обеспечить максимально открытый небосклон при проведении съTмки. Не становитесь вблизи высоких строений. При работе в лесу постарайтесь вынести антенну на метр или два над кронами деревьев.