Содержание к диссертации
Введение 4
1 Основы теории позиционирования по сигналам СРНС 10
Уравнения основных видов измерений 10
Основные методы позиционирования 12
Абсолютный метод 12
Дифференциальный метод позиционирования 14
Относительный метод позиционирования 15
1.3 Ошибки наблюдений СРНС 17
Общие замечания 17
Ошибки аппаратуры 18
Ошибки математической модели 21
Влияние среды на распространение электромагнитных колебаний24
1.4 Оценка качества решений 32
2 Учёт влияния нейтральной атмосферы 35
Общие замечания 35
Физические параметры тропосферы 35
Распределение поля температуры 35
Распределение поля давления 37
Пары воды в атмосфере 38
Стандартная атмосфера 39
2.3 Эмпирическое моделирование 40
Модель Хопфилд 40
Модель Саастамойнена 42
Модель Блэка 45
Функция отображения Марини 47
Функция отображения Айфадиса 48
Функция отображения Найелла 49
2.4 Экспериментальное сравнение эмпирических алгоритмов вычисления
тропосферной задержки 51
Общие замечания 51
Настройки процесса вычисления тропосферной задержки в TG0..53
Результаты сравнения алгоритмов вычисления тропосферной задержки в TGO 54
Градиентная и турбулентная модели 59
Оценивание параметров атмосферы из наблюдений СРНС 63
Вклад российский учёных в исследование тропосферной задержки 68
3 Способы получения метеорологической информации 70
Общие замечания 70
Контактные определения значений метеорологических параметров.... 71
Наземная метеорология 71
Аэрология и радиозондирование 76
3.3 Дистанционные способы определения метеорологических элементов. 79
3.3.1 Радиометры водяных паров 79
3.3.2 Лазерные локационные системы 81
3.4 Комбинированные методы определения метеорологических
параметров 82
Цифровые модели погоды 82
Оценивание параметров по наблюдениям GPS 84
4 Методика коррекции спутниковых наблюдений поправками за
тропосферную рефракцию 87
Постановка задачи 87
Комбинированная методика учёта тропосферной зажержки при обработке спутниковых координатных определений 88
Чтение файлов спутниковых наблюдений 88
Вычисление топоцентрических координат спутников 89
Вычисление тропосферных задержек и корректирование ими спутниковых наблюдений 91
Тестирование разработанных программ 92
4.3 Использование результатов аэрологического зондирования при
обработке спутниковых определений по комбинированной методике 94
Вычисление тропосферной задержки по данным радиозондов 94
Обработка спутниковых наблюдений с данным аэрологического зондирования 96
4.4 Использование зенитных тропосферных задержек, оцененных МГС ...97
Вычисление тропосферной задержки в GPS-наблюдения по файлам МГС 97
Использование файлов оцениваемых зенитных тропосферных задержек при обработке наблюдений станций МГС 99
Использование файлов зенитных тропосферных задержек при обработке наблюдений станций ПГЭ СГГА 101
Заключение 107
Библиография 113
ПРИЛОЖЕНИЯ 122
A. - Уточненные постоянные для вычисления коэффициентов а и b функции
отображения Айфадиса 123
B. - Коэффициенты функции отображения Найелла 124
C. - Схема настроек алгоритма тропосферной коррекции в программе TGO.. 125
D. - Влияние выбора алгоритма вычисления тропосферной задержки на
результаты обработки спутниковых наблюдений 126
E. - Результаты использования различных интервалов стохастического
оценивания зенитных тропосферных задержек 129
F. - Файл наземной метеорологической информации в формате RINEX 130
G. - Апаратура наблюдений опытной сети TestNet 131
Н. - Результаты вычисления базовых линий, полученные при использовании
глобальной и локальной стандартных моделей атмосферы 132
J. - Профили метеопараметров 134
К. - Описание формата файлов зенитных тропосферных задержек 137
L. - Результаты применения данных аэрологического зондирования в
обработке спутниковых наблюдений 138
М. - Результаты обработки GPS-наблюдений станций МГС с использований
файлов оцениваемых зенитных тропосферных задержек 139
N. - Схема фрагмента ПГЭ СГГА, наблюдавшегося в 2004 г 141
Р. - Результаты обработки GPS-наблюдений пунктов ПГЭ СГГА с
использованием файлов оцениваемых зенитных тропосферных задержек
станций МГС 143
Введение к работе
В 1982-84 гг. группой учёных из Массачусетского института технологий (США), под руководством Ч. Кунселмана, были получены первые результаты координатных определений при помощи спутникового приёмника Macrometer, работавшего по сигналам спутниковой радионавигационной системы (СРНС) GPS NAVSTAR [1]. С его помощью линия длиной почти 10 км была измерена с относительной ошибкой около (1-н2)-10*6 всего после нескольких часов наблюдений. Этот результат был неоднократно подтверждён созданными группой сетями сгущения в Германии и США [2]. Таким образом, появление глобальных систем спутникового позиционирования в корне изменило технологию построения геодезических сетей.
Очевидны преимущества новой технологии над классическими методами геодезии, предопределившие её бурное развитие:
относительная свобода в выборе места размещения пункта наблюдений (отсутствие обязательной прямой видимости между ними);
возможность наблюдать в любую погоду и независимо от времени суток;
одновременное получение всех трёх координат пунктов;
- автоматизация процесса наблюдений и обработки (минимализация
личных ошибок операторов).
Самым же существенным недостатком спутникового позиционирования стала проблема согласования спутниковых геодезических сетей и сетей, построенных традиционными методами.
В первое же десятилетие развития новой технологии появились новые способы наблюдения: быстрая статика, две разновидности кинематики (непрерывная и «стой-иди»), три режима инициализации измерений (разрешения неоднозначности фазовых отсчётов) для кинематики. В дальнейшем был разработан дифференциальный метод (DGPS) и технология наблюдений в реальном времени. Последующее развитие спутниковых методов позиционирования было связано с использованием активных геодезических сетей типа американской сети CORS (Continuous Operating Reference Stations - непрерывно действующие опорные станции). Наличие таких сетей во многих странах позволило реализовать широкозонные дифференциальные методы, как по кодовым измерениям (системы WADGPS, такие как американская WAAS, европейская EGNOS и японская MSAS), так и по фазовым измерениям (метод множественных опорных станций или сетевая RTK). Дальнейшее развитие привело к появлению глобального дифференциального метода (GDGPS) и сетевого метода RTK, одним из вариантов которого является концепция виртуальной базовой станции.
Большое значение в развитии спутниковых технологий имело опубликование интерфейсного контрольного документа Российской глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) ГЛОНАСС [3]. Оно положило начало появлению приёмников, работающих по сигналам двух систем.
Подводя итог, отметим, что технологии СРНС активно развиваются по нескольким направлениям [4]:
совершенствование работы непосредственно самих навигационных систем (космического, наземного и пользовательского сегментов);
разработка теории методов спутникового позиционирования (общая теория методов относительных, абсолютных и дифференциальных определений, методы инициализации кинематических съемок на земле и в движении, методы разрешения неоднозначностей фазы несущей и т.п.);
совершенствование спутниковых приёмников, игнорирующих режим шифрования точного Р-кода (режим «Anti-Spoofing»), сопутствующего оборудования и программного обеспечения;
повышение точности как апостериорных, так и априорных (прогнозных) эфемерид спутников GPS и ГЛОНАСС;
разработка форматов для точных эфемерид, для передачи дифференциальных поправок, в том числе для сетевых методов и методов с использованием Интернета;
стандартизация моделей геодинамических явлений, появление координатных систем с временной эволюцией;
расширение областей применения спутниковых методов (определение параметров вращения Земли (ПВЗ), геодинамика, метеорология, мониторинг ионосферы, разнообразные службы мониторинга);
- создание специальных служб и сетей (Международная ГНСС служба
- МГС (International GNSS Service - IGS), активные сети, множест
венные опорные станции).
На фоне последних разработок, опубликованных в открытой печати, особенно ярко видно отставание отечественной геодезической науки, вызванное сложной финансовой и политической обстановкой в стране в течение последних 10-15 лет. Утверждённая постановлением Правительства РФ от 20 августа 2001 года № 587 Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система» [5], направлена на ликвидацию этого отставания. Одной из основных целей программы являются дальнейшее развитие и эффективное использование ГЛОНАСС, внедрение передовых технологий спутниковой навигации в интересах решения социально-экономических и оборонных задач.
Решению этой задачи посвящен комплекс мероприятий, объединённых в подпрограмму IV «Использование спутниковых навигационных систем для геодезического обеспечения территории России». Запланированы и выполняются, среди множества других, следующие задачи:
создание спутниковой геодезической сети 1 класса (СГС-1) на основе наблюдений ГНСС;
создание спутниковых геодезических сетей на геодинамических полигонах (ГДП) с использованием ГНСС;
создание высокоточной геодезической сети (ВГС) на основе наблюдений ГНСС;
уравнивание государственной геодезической сети на основе фундаментальной астрономо-геодезической сети (ФАГС), ВГС и СГС-1.
Как видно из этого списка, правительство уделяет значительное внимание построению новой структуры геодезических сетей, реализующих на территории РФ высокоточную единую геоцентрическую систему координат, и поддержание её на уровне современных и перспективных требований при максимальном использовании потенциала существующих геодезических сетей. На этом этапе особенно важно выбрать верное направление приложения сил и средств, чтобы в полной мере воспользоваться наработками зарубежных учёных и двигаться дальше уже наравне с мировым сообществом.
Первые опыты спутникового позиционирования поставили вопрос о достоверности получаемых наблюдений. Сравнение результатов спутниковых наблюдений с данными интерферометрии со сверхдлинной базой (РСДБ) не показало значительных систематических отличий между ними [6]. По мере развития спутниковых технологий рос уровень достигаемой ими точности. Приведём составленную И. Боком таблицу из книги [7], в которой дана динамика точности и меры, благодаря которым она оказалась достигнутой.
Таблица 1 - Исторические этапы достижения точности спутниковых координатных определениях
Как видно из этой таблицы аппаратурные источники повышения точности играли значительную роль лишь на начальном этапе, дальнейшее развитие происходило благодаря разработке нового математического аппарата. У исследователей сложилось мнение, подтвердившееся в дальнейшем, о возможности повышения точности измерений за счёт уточнения эфемерид спутников и модели среды, в которой распространяются сигналы СРНС.
Для уточнения эфемерид была создана специальная служба наблюдения, которая со временем трансформировалась в МГС. Максимальная точность доступных сейчас эфемерид спутников GPS находится на субдециметровом уровне. Для учёта влияния среды распространения сигнала (ионосферы и нейтральной атмосферы) различными исследовательскими коллективами создано множество моделей. На данный период времени, ионосферная рефракция почти полностью исключается при измерениях на двух частотах (благодаря использованию комбинации фаз, свободной от влияния ионосферы) или моделируется для одночастотных наблюдений.
С учётом влияния тропосферы (изменения скорости и траектории распространения сигнала в слое нейтральной атмосферы) дело обстоит значительно сложнее, так как состояние этого слоя в приземной его части (дающей основную долю ошибки) практически не моделируется. Многие ведущие учёные считают влияние тропосферы основным источником ошибок при проведении геодезических измерений, например, И. Бок [7], П. Мишра и П. Энг [8], швейцарская группа учёных из Астрономического института Берна [9]. Мировым сообществом был проведен колоссальный объём исследований влияния тропосферы на измерения в микроволновом диапазоне радиоволн. На эти исследования, начатые ещё в 60-е годы прошлого столетия и не законченные до сих пор, были затрачены огромные усилия. В них принимали участия такие научные центры как Университет Дж. Хопкинса, Годдардовский центр космических полетов, Лаборатория реактивного движения, Хайстекская обсерватория (все США), Университет Нью-Брунсвика (Канада), обсерватория Онсала (Швеция) и многие др. Исследованиями в данной области занимались множество известных зарубежных учёных. Приведем список тех из них, с трудами которых ознакомились в процессе работы:
Ю. Саастамойнен, X. Хопфилд, Дж. Марини, К. Муррей, X. Блэк, А. Найелл, Ж. Дэвис, Т. Херринг, Г. Чен, Ё. Бар-Север, М. Маршалл, К. Чао, К. Гарднер, К. Гоад, Л. Гудман, С. Лихтен, Дж. Блюитт, Г. Ланьи, Р. Трюхафт, Д. Тралли (США); И. Айфадис (Греция),
П. Коллинз, Р. Лэнгли, В. Мендес, X. Джейнс, С. Ньюби (Канада), Ж. Аскне, X. Нордиус, Т. Эмардсон, П. Ярлемарк, Г. Элгеред (Швеция),
X. Тибериус, Ф. Клейхер (Голландия), В. Гюртнер, Дж. Бютлер (Швейцария);
Ф. Брюннер, У. Фельше, Г. Кирхенгаст (Австрия);
Р. Ичикава, М. Касахара, И. Найто (Япония);
Ж. Хаас, М. Ге, Е. Калайс, О. Бок, Э. Доэрфлингер (Франция);
- В. Ашкенази, Е. Альтшулер, П. Калаган, К. Мано (Англия);
X. Ведель (Дания);
Я.М. Костецкая, И.М. Торопа (Украина);
В.И. Куштин, Ю.С. Галкин, Т.А. Ахундов, А.А. Стоцкий, И.М. Стоц-
кая, К.М. Антонович (Россия).
Пик исследований влияния среды на распространение сигнала приходится на 1985-1995 гг., и, к сожалению, многие зарубежные публикации этого периода неизвестны в нашей стране.
Таким образом, достоверный учёт влияния тропосферы на спутниковые координатные определения на данном этапе, является одной из важных задач при большинстве высокоточных работ, проводимых по Федеральной целевой программе «Глобальная навигационная система» [5]. Эти задачи (реконструкция и расширение государственной геодезической сети России, создание геодинамических полигонов) выполняются производственными предприятиями, при сотрудничестве с научными учреждениями. Достигнуть максимальнй точности геодезических спутниковых координатных определений можно, лишь используя высокоточную спутниковую аппаратуру и научно обоснованную методику наблюдений. Зачастую соблюдения этих требований недостаточно, так как поставляемые производителями спутниковой аппаратуры программы для обработки наблюдений несовершенны.
По большей части, коммерческое ПО уже может использовать точные эфемериды спутников, но коррекция тропосферы производится в них по упрощенным моделям. Научные же программы недоступны производственным организациям из-за крайней дороговизны (от 30 000 долларов США и более) и сложности в обучении операторов (как правило, программное обеспечение работает в операционной системе Lynux, не имеет единой концепции и сложно в настройке). Аппаратное обеспечение измерения параметров атмосферы также очень дорого: автоматическая метеостанция - около 10 000 долларов, радиометр водяных паров (РВП) - более 100 000 долларов, а лидары - ещё более дорогие. Причём, все эти устройства, как правило, стационарны.
Сибирская государственная геодезическая академия (СГГА) является одним из учреждений, активно участвующих в программе реорганизации геодезических сетей - создании городских сетей первого класса, геодинамических полигонов, геодезического эталонного полигона (ПГЭ СГГА). Спутниковые приёмники, использующиеся для этих работ, отвечают требованиям точности, предъявляемым к аппаратуре. Для привязки опорных пунктов, обработки наблюдений на метрологическом полигоне и других высокоточных производственных работах уже около 10 лет используются продукты деятельности МГС. Поэтому вопрос об адекватном учёте тропосферных задержек при проведении высокоточных геодезических работ стоит достаточно остро.
Во-первых, неясно, насколько глобальные модели стандартной тропосферы отвечают климатическим условиям Западной Сибири. Это связано, в основном, с закрытостью алгоритмов, реализованных в коммерческих программах обработки - производители считают эту информацию коммерческой тайной и не видят необходимости давать её рядовым пользователям.
Во-вторых, использующиеся при производстве работ нормативные документы при создании сетей СГС-1 (например, [10]) требуют проводить на станциях наблюдений метеорологические измерения, что существенно осложняет не только процесс измерений, но и их обработки, если используются неавтоматические метеоприборы. Это связано с большим количеством поправок, вводи-
мых в наблюдения метеоприборов, и приведением результатов измерений к виду, удобному для ввода в программу.
Целью данной работы является поиск возможности привлечения дополнительной метеорологической информации, а так же разработка методики её использования в комплексе с коммерческим программным обеспечением, позволяющей максимально повысить точность учёта влияния тропосферы на спутниковые координатные определения.
Задачи, решение которых требуется для достижения целей, поставленных в этой работе:
Оценка величины ошибок (особенно систематического характера), возникающих из-за тропосферной рефракции при выполнении спутниковых наблюдений в условиях Западной Сибири.
Сравнение существующих в коммерческом программном обеспечении алгоритмов вычисления тропосферной задержки, и выбор из них оптимально соответствующего использованию при высокоточных спутниковых координатных определениях.
Разработка способа учёта тропосферной рефракции, основанного на современном уровне программно-аппаратного обеспечения и развития инфраструктуры СРНС, и обеспечивающего миллиметровый уровень точности определения тропосферной зенитной задержки.
Разработка рекомендаций по учёту тропосферной рефракции в равнинной местности.
Новизна проводимых исследований подтверждается почти полным отсутствием работ по указанной тематике в России и наличием подобных исследований за рубежом.
На защиту выносятся следующие основные положения:
Оценка величины влияния тропосферы на точность параметров геодезических сетей в условиях Западной Сибири;
Методика оценивания тропосферной задержки и её влияния на координаты, заключающаяся в разработке алгоритма программы, позволяющей проводить вычисления тропосферной задержки по любым моделям и корректировке данных наблюдений;
Низкозатратная методика учёта тропосферной задержки при построении высокоточных геодезических сетей, сопоставимая по точности с дорогими методами моделирования или измерений с дорогими приборами.
