Содержание к диссертации
Введение
1 Методика точного дифференциального позиционирования 11
1.1 Общие сведения о методике 11
1.2 Математическая модель динамической системы и алгоритм методики точного дифференциального позиционирования 17
1.2.1 Измеряемая геометрическая дальность 17
1.2.2 Модель движения навигационного космического аппарата 21
1.2.3 Модель движения позиционируемого объекта 25
1.2.4 Измерительная информация 29
1.2.5 Система уравнений измерений 40
1.2.6 Стохастическая модель динамической системы 42
1.2.7 Рекуррентное оценивание параметров 47
1.3 Направления развития методики точного дифференциального
позиционирования 49
2 Анализ и совершенстование математической модели динамической системы и алгоритма методики точного дифференциального позиционирования 53
2.1 Статистический анализ погрешностей математической модели ГНСС- измерений 53
2.1.1 Корреляционный анализ остаточных невязок уравнений фазовых измерений 53
2.1.2 Анализ погрешностей интерполяции поправок бортовых шкал времени навигационных космических аппаратов 55
2.2 Совершенствование математической модели ГНСС-измерений 60
2.2.1 Способ уточнения функциональной модели фазовой псевдодальности 60
2.2.2 Способ уточнения априорной стохастической модели погрешностей ГНСС-измерений 62
2.3 Усовершенствованная методика точного дифференциального позиционирования и её программная реализация 64
3 Экспериментальное исследование характеристик усовершенствованной методики точного дифференциального позиционирования 68
3.1 Постановка задачи и план экспериментального исследования методики точного дифференциального позиционирования 68
3.2 Результаты экспериментов и их анализ 70
3.2.1 Результаты экспериментов 70
3.2.2 Сравнительный анализ времени сходимости решения по исходному и усовершенствованному вариантам методики точного дифференциального позиционирования 71
3.2.3 Анализ пространственного распределения погрешностей оценок координат по методике точного дифференциального позиционирования 75
3.2.4 Анализ результатов применения уточнённой априорной стохастической модели погрешностей измерений 77
3.2.5 Анализ влияния типа кодовых псевдодальностей на время сходимости решения 77
3.3 Выводы и рекомендации по усовершенствованной методике точного
дифференциального позиционирования 78
3.3.1 Выводы по результатам экспериментального исследования 78
3.3.2 Рекомендации по практическому применению методики 79
3.3.3 Актуальные направления работы 80
Заключение 83
Список сокращений и условных обозначений 85
Список литературы 86
- Математическая модель динамической системы и алгоритм методики точного дифференциального позиционирования
- Корреляционный анализ остаточных невязок уравнений фазовых измерений
- Сравнительный анализ времени сходимости решения по исходному и усовершенствованному вариантам методики точного дифференциального позиционирования
- Актуальные направления работы
Введение к работе
Актуальность темы исследования. Глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) в настоящее время являются незаменимым средством выполнения многих видов геодезических работ, уникальным по совокупности таких характеристик, как уровень достигаемой точности, обширность геодезических построений и доступность. Методика точного дифференциального позиционирования (ТДП), более известная под англоязычным названием «Precise Point Positioning» (РРР), является одной из наиболее передовых методик математической обработки ГНСС-измерений в силу следующих свойств:
высокой точности определения местоположения в общеземной системе координат (среднеквадратические погрешности оценок координат от 1 до 3 см в статическом режиме);
глобальной доступности и автономности определения координат (отсутствия непосредственной привязки к пунктам геодезических сетей);
- высокой степени автоматизации обработки ГНСС-измерений.
Актуальность задач развития и внедрения методики ТДП подчёркивается
тем фактом, что соответствующие работы ведутся в рамках федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012-2020 годы». Возможность определения местоположения непосредственно в общеземной системе координат придаёт методике особую практическую значимость в свете перехода к использованию геоцентрических систем координат в качестве государственных.
Одним из недостатков исходной методики ТДП, ограничивающих её применение, является необходимость производства продолжительных сеансов измерений (от нескольких часов до суток) для достижения указанного уровня точности. Сокращение длительности сеансов ГНСС-измерений при сохранении высокой точности определения координат является актуальной задачей.
Степень разработанности темы. В России работы по теме точного дифференциального позиционирования ведутся в рамках создания функциональных
4 дополнений Единой системы координатно-временного и навигационного обеспечения (ЕС КВНО). Значительный вклад в формирование концепции ЕС КВНО внесли Урличич Ю. М., Финкелыптейн А. М., Ревнивых С. Г., Тестоедов Н. А., Данилюк А. Ю., Донченко СИ., Долгов Е. И., Демьянов Г. В., Макаренко Н. Л., Пешехонов В. Г., Красовский П. А., Белов С. А., Бутенко В. В. и другие. Авторами работ на русском языке и переводов с английского, посвященных дифференциальному методу в ГНСС, и в частности методике ТДП, являются Антонович К. М., Виноградов А. В., Войтенко А. В., Дворкин В. В., Глухов П. Б., Голубев А. К, Жигулин А. Ю., Карутин С. Н., Перший Д. Ю., Подкорытов А. Н., Щербаков А. С. и другие. Значительный вклад в создание и развитие методики ТДП внесли следующие зарубежные авторы: Bisnath S. В., Burgan J., Collins P., Dodson A. H., Geng J., Gerhatova L., Han S. C, Heflin M. В., Hefty J., Heroux P., Jefferson D. C, Jekeli C, Kouba J., Kwon J. H, Liu J., Lahaye F., Langley R. В., Laurichesse D., Meng X., Shi C, Teferle F. N., Watkins M. M., Webb F. H., Zumberge J. F. и другие. Несмотря на возросший интерес к данной теме и активизацию работ по совершенствованию методики ТДП, задача повышения оперативности определения местоположения остаётся актуальной.
Цель исследования - совершенствование методики точного дифференциального позиционирования с использованием глобальных навигационных спутниковых систем.
Задачи исследования:
анализ возможностей и перспектив совершенствования методики точного дифференциального позиционирования и выявление факторов, влияющих на оперативность определения координат;
разработка и теоретическое обоснование способа повышения оперативности точного дифференциального позиционирования;
разработка алгоритма точного дифференциального позиционирования, реализующего предлагаемый способ;
экспериментальная проверка состоятельности предложения по совершенствованию методики точного дифференциального позиционирования;
- разработка рекомендаций по практическому применению и дальнейшему развитию методики точного дифференциального позиционирования.
Объект и предмет исследования. Объект исследования - динамическая система, включающая спутники - навигационные космические аппараты (НКА) ГНСС, станции - наземные измерительные пункты (НИП), а также источники возмущающих воздействий, проявляющихся в результатах измерений. Предмет исследования - методика точного дифференциального позиционирования.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем: разработан новый способ компенсации погрешностей интерполяции поправок бортовых шкал времени в методике ТДП, особенностями которого являются простота, применимость для различных ГНСС, нулевое математическое ожидание предлагаемых поправок фазовых измерений, за счёт чего, теоретически, обеспечивается совместимость с различными способами разрешения и фиксации фазовых неоднозначностей на последующем этапе решения.
Теоретическая значимость работы заключается в оценке погрешности модели бортовых шкал времени и её связи со временем сходимости решения по методике ТДП, а также в уточнении классификации методов космической геодезии. Показано, что методику, именуемую «Precise Point Positioning», следует относить к дифференциальному методу космической геодезии, а не к абсолютному, как это принято в настоящее время.
Практическая значимость работы заключается в том, что усовершенствование, внесённое в методику точного дифференциального позиционирования, позволило значительно сократить продолжительность сеансов ГНСС-измерений и повысить производительность геодезических работ. Также разработаны рекомендации по практическому применению методики ТДП, позволяющие повысить надёжность определения координат и сократить время сходимости решения. В ходе исследования была уточнена оценка местоположения исходного пункта геодезической сети активных базовых станций Новосибирской области в общеземной системе координат.
Методология и методы исследований. Методологическую базу исследования составили методы математического моделирования и статистической обработки результатов измерений, методы решения задач космической геодезии. Теоретическая база исследования: теория вероятностей и математической статистики, линейная алгебра, теория математической обработки геодезических измерений. Эмпирической базой исследования послужили: совокупность НИП, созвездие НКА GPS, результаты GPS-измерений, геофизические модели, эфемериды и поправки бортовых шкал времени НКА, координаты станций Международной ГНСС-службы (МТС).
Положения, выносимые на защиту:
а) новый способ компенсации погрешностей интерполяции поправок бор
товых шкал времени спутников ГНСС и уточнённая априорная стохастическая
модель погрешностей ГНСС-измерений в методике точного дифференциально
го позиционирования обеспечивают двукратное сокращение продолжительно
сти сеансов GPS-измерений по сравнению с ранее достигнутой при сохранении
высокого уровня точности определения координат;
б) рекомендации по практическому применению методики точного диффе
ренциального позиционирования позволяют повысить надёжность и точность
определения координат.
Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует паспорту научной специальности 25.00.32 - «Геодезия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по пунктам: 3 - «Геодезические (глобальные) навигационные спутниковые системы и технологии. Формирование активного координатно-временного пространства на основе навигационной инфраструктуры ГЛОНАСС и др. Геодезические системы наземного, морского и космического базирования для определения местоположения и навигации подвижных объектов геопространства, в том числе транспорта, военной техники, людей и животных»; 11 - «Теория и практика математической обработки результатов геодезических измерений и информационное обеспечение геодезических работ. Автоматизированные технологии со-
7 здания цифровых трёхмерных моделей технологических объектов, процессов и явлений по геодезическим данным».
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Предложения по совершенствованию методики точного дифференциального позиционирования были проверены и применены на реальных объектах: сети станций МТС и геодезической сети активных базовых станций Новосибирской области. Точность решения определялась по внешней сходимости - на основании сравнения оценок координат станций с их эталонными значениями из каталога. Таким образом, представленные результаты обладают высокой степенью достоверности.
Результаты исследований и основные положения диссертации обсуждались и были одобрены на Международных научных конгрессах «Интерэкспо ГЕО-Сибирь» (2011, 2012, 2013 гг., г. Новосибирск); Международном семинаре аспирантов и молодых учёных «3S-2012 GEOMIR» (27.07.2012, г. Москва), II Международной научно-технической конференции «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека», посвященной 30-летию запуска на орбиту первого навигационного космического аппарата ГЛОНАСС (10-14.10.2012, г. Железногорск, Красноярский край).
Основные результаты диссертационного исследования использованы во ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии», в научно-производственном центре по метрологии, стандартизации и сервисному обслуживанию средств измерений ФГБОУ ВПО «СГГА», а также в учебном процессе на кафедре физической геодезии и дистанционного зондирования ФГБОУ ВПО «СГГА» при изучении специальных дисциплин студентами направления «Геодезия и дистанционное зондирование» и специальности «Космическая геодезия» и при выполнении курсовых и дипломных работ.
Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в четырёх научных работах, из них две статьи - в изданиях, входя-
8 щих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Объём и структура диссертации. Общий объём диссертации составляет 114 страниц. Диссертация состоит из введения, трёх разделов, заключения, списка литературы, списка сокращений и условных обозначений, четырёх приложений, содержит 13 таблиц и 23 рисунка. Список литературы включает 122 наименования.
Диссертация и автореферат диссертации оформлены в соответствии с СТО СГГА 002-2013.
Математическая модель динамической системы и алгоритм методики точного дифференциального позиционирования
Объект и предмет исследования. Объект исследования - динамическая система, включающая спутники - навигационные космические аппараты (НКА) ГНСС, станции - наземные измерительные пункты (НИП), а также источники возмущающих воздействий, проявляющихся в результатах измерений. Предмет исследования - методика точного дифференциального позиционирования.
Научная новизна результатов исследования заключается в следующем: разработан новый способ компенсации погрешностей интерполяции поправок бортовых шкал времени в методике ТДП, особенностями которого являются простота, применимость для различных ГНСС, нулевое математическое ожидание предлагаемых поправок фазовых измерений, за счёт чего, теоретически, обеспечивается совместимость с различными способами разрешения и фиксации фазовых неоднозначностей на последующем этапе решения.
Теоретическая значимость работы заключается в оценке погрешности модели бортовых шкал времени и её связи со временем сходимости решения по методике ТДП, а также в уточнении классификации методов космической геодезии. Показано, что методику, именуемую «Precise Point Positioning», следует относить к дифференциальному методу космической геодезии, а не к абсолютному, как это принято в настоящее время.
Практическая значимость работы заключается в том, что усовершенствование, внесённое в методику точного дифференциального позиционирования, позволило значительно сократить продолжительность сеансов ГНСС-измерений и повысить производительность геодезических работ. Также разработаны рекомендации по практическому применению методики ТДП, позволяющие повысить надёжность определения координат и сократить время сходимости решения. В ходе исследования была уточнена оценка местоположения исходного пункта геодезической сети активных базовых станций Новосибирской области в общеземной системе координат.
Методология и методы исследований. Методологическую базу исследования составили методы математического моделирования и статистической обработки результатов измерений, методы решения задач космической геодезии. Теоретическая база исследования: теория вероятностей и математической статистики, линейная алгебра, теория математической обработки геодезических измерений. Эмпирической базой исследования послужили: совокупность НИП, созвездие НКА GPS, результаты GPS-измерений, геофизические модели, эфемериды и поправки бортовых шкал времени НКА, координаты станций Международной ГНСС-службы (МГС).
Положения, выносимые на защиту: а) новый способ компенсации погрешностей интерполяции поправок борто вых шкал времени спутников ГНСС и уточнённая априорная стохастическая мо дель погрешностей ГНСС-измерений в методике точного дифференциального по зиционирования обеспечивают двукратное сокращение продолжительности сеан сов GPS-измерений по сравнению с ранее достигнутой при сохранении высокого уровня точности определения координат; б) рекомендации по практическому применению методики точного диффе ренциального позиционирования позволяют повысить надёжность и точность определения координат. Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Тематика диссертации соответствует паспорту научной специальности 25.00.32 – «Геодезия», разработанному экспертным советом ВАК Минобрнауки РФ, по пунктам: 3 – «Геодезические (глобальные) навигационные спутниковые системы и технологии. Формирование активного координатно-временного пространства на основе навигационной инфраструктуры ГЛОНАСС и др. Геодезические системы наземного, морского и космического базирования для определения местоположения и навигации подвижных объектов геопространства, в том числе транспорта, военной техники, людей и животных»; 11 – «Теория и практика математической обработки результатов геодезических измерений и информационное обеспечение геодезических работ. Автоматизированные технологии создания цифровых трёхмерных моделей технологических объектов, процессов и явлений по геодезическим данным».
Степень достоверности и апробация результатов исследования. Предложения по совершенствованию методики точного дифференциального позиционирования были проверены и применены на реальных объектах: сети станций МГС и геодезической сети активных базовых станций Новосибирской области. Точность решения определялась по внешней сходимости – на основании сравнения оценок координат станций с их эталонными значениями из каталога. Таким образом, представленные результаты обладают высокой степенью достоверности.
Результаты исследований и основные положения диссертации обсуждались и были одобрены на Международных научных конгрессах «Интерэкспо ГЕОСибирь» (2011, 2012, 2013 гг., г. Новосибирск); Международном семинаре аспирантов и молодых учёных «3S-2012 GEOMIR» (27.07.2012, г. Москва), II Международной научно-технической конференции «Навигационные спутниковые системы, их роль и значение в жизни современного человека», посвящённой 30-летию запуска на орбиту первого навигационного космического аппарата ГЛОНАСС (10–14.10.2012, г. Железногорск, Красноярский край).
Основные результаты диссертационного исследования использованы во ФГУП «Сибирский государственный ордена Трудового Красного Знамени научно-исследовательский институт метрологии», в научно-производственном центре по метрологии, стандартизации и сервисному обслуживанию средств измерений ФГБОУ ВПО «СГГА», а также в учебном процессе на кафедре физической геодезии и дистанционного зондирования СГГА при изучении специальных дисциплин студентами направления «Геодезия и дистанционное зондирование» и специальности «Космическая геодезия» и при выполнении курсовых и дипломных работ. Публикации. Основные результаты диссертационного исследования опубликованы в четырёх научных работах, из них две статьи – в изданиях, входящих в перечень рецензируемых научных журналов и изданий для опубликования основных научных результатов диссертаций.
Корреляционный анализ остаточных невязок уравнений фазовых измерений
Повышение надёжности определения местоположения в кинематическом режиме, а также определение ориентации объекта в пространстве и уточнение характеристик его движения возможно за счёт совместного использования данных аппаратуры потребителя ГНСС и микроэлектромеханических систем (МЭМС): гироскопов, акселерометров, магнитометрических датчиков (компасов). Примеры представлены в работах [52, 69]. При выборе конфигурации размещения МЭМС и ГНСС-антенн на позиционируемом объекте возможно использование принципа рычага: разнородные данные МЭМС и ГНСС могут быть использованы для взаимного контроля и повышения надёжности определения местоположения, скорости и ориентации объекта [90]. Частным случаем использования инерциальных навигационных систем на основе МЭМС для повышения надёжности решений по методике ТДП является применение их данных при восстановлении потерь счёта циклов в результатах фазовых ГНСС-измерений [68].
Важным направлением совершенствования методики ТДП является обеспечение возможности использования различных ГНСС. В настоящее время существуют примеры реализаций методики ТДП для разных комбинаций систем ГЛОНАСС, GPS, Compass, Galileo [60, 99, 105]. Объединение требует пересмотра модели результатов измерений. В частности, совместная обработка результатов измерений GPS и ГЛОНАСС требует включения дополнительного оцениваемого параметра во все уравнения измерений ГЛОНАСС – относительной поправки шкал системного времени [60]. Совместная обработка результатов измерений нескольких ГНСС позволяет значительно сократить время сходимости [60, 99], более чем на 50 % для GPS/ГЛОНАСС в сравнении с GPS [60]. Авторами [60] также экспериментально продемонстрировано достижение уровня точности оценивания координат порядка нескольких сантиметров с использованием исключительно ГЛОНАСС-измерений. Совместное использование сигналов нескольких ГНСС повышает доступность определения координат в условиях, когда значительная часть небесной сферы закрыта, например в городах. Удешевление процесса определения координат может быть достигнуто за счёт использования аппаратуры потребителя ГНСС топографического или навигационного класса, в том числе одночастотной, цена которой может быть на один – два порядка ниже цены аппаратуры геодезического класса. При использовании одночастотных измерений возникает проблема коррекции ионосферной задержки. Поправки, компенсирующие влияние ионосферы, рассчитываются по измерениям региональной или глобальной сети опорных станций. При этом необходимо принимать во внимание, что погрешности глобальных моделей ионосферы составляют от 10 % до 50 % [82 с. 143]. Однако, согласно [116], одночастотный вариант методики ТДП позволяет достигать дециметрового уровня точности позиционирования и демонстрирует даже большую эффективность в течение первых 10 мин сеанса измерений в сравнении с исходным вариантом методики, предполагающим использование «ионосферно-свободных» комбинаций результатов ГНСС-измерений. Главным фактором, ограничивающим точность определения координат с помощью малобюджетной ГНСС-аппаратуры, остаётся качество этой аппаратуры, в частности способность к подавлению многопутности радиосигналов [55]. Достижимый уровень точности оценки пространственного положения по методике ТДП в статическом режиме с использованием аппаратуры потребителя навигационного класса, согласно [55], характеризуется СКП порядка полуметра при малом влиянии многопутности.
Важным шагом в направлении повышения доступности и оперативности высокоточного позиционирования на основе методики ТДП является бесплатное предоставление службой МГС уточнённой ЭВИ в реальном времени через сеть Интернет по протоколу NTRIP. В настоящее время предоставляется уточнённая ЭВИ GPS и ГЛОНАСС (в экспериментальном режиме) [87].
Ещё один способ совершенствования методики ТДП – применение разрешения неоднозначностей фазовых ГНСС-измерений или их одинарных разностей. Существует несколько различных вариантов реализации этого подхода, рассмотренных в работах [37, 62, 74, 75, 97, 100, 117]. Положительный эффект разрешения и фиксации неоднозначностей заключается в повышении точности позицио 52 нирования в кинематическом режиме и значительном сокращении времени сходимости как в статическом [62, 75], так и в кинематическом режиме [97]. Разрешение неоднозначностей результатов фазовых измерений требует учёта дополнительных поправок, определяемых при обработке ГНСС-измерений сети опорных станций, и задержек сигналов в аппаратуре.
Повышение точности определения местоположения по методике ТДП и сокращение времени сходимости также могут быть достигнуты за счёт повышения адекватности применяемой модели результатов ГНСС-измерений, и в частности модели БШВ НКА. Данный вопрос подробно рассмотрен во втором разделе.
Сравнительный анализ времени сходимости решения по исходному и усовершенствованному вариантам методики точного дифференциального позиционирования
Одним из недостатков методики точного дифференциального позиционирования является отсутствие независимого контроля точности оценок координат. Для сравнения, в относительном методе космической геодезии контроль выполняется по невязкам в замкнутых фигурах, состоящих из независимо измеренных векторов базовых линий. Рекомендуется контролировать точность решения по методике ТДП по расхождениям между оценёнными и эталонными значениями координат контрольных станций, выбранных, например, из числа постоянно действующих станций МГС. Такой способ позволит контролировать общие для позиционируемого объекта и опорных станций возможные источники грубых ошибок, такие как эфемеридно-временная информация, некорректная работа программного обеспечения и так далее. Способ был применён автором при уточнении коор 80 динат исходного пункта геодезической сети активных базовых станций Новосибирской области [28].
При использовании усовершенствованной методики точного дифференциального позиционирования опорные станции могут быть выбраны из числа существующих постоянно действующих станций, например МГС или региональной сети. Однако использование существующих исходных пунктов не является обязательным. По необходимости временная опорная станция может быть обустроена в любой точке с благоприятными условиями для ГНСС-измерений при наличии стабильного основания для установки антенны. Координаты временной опорной станции в ОЗСК могут быть определены по исходной методике ТДП.
Следует выбирать опорные станции или планировать их размещение по возможности ближе к позиционируемому объекту (по предварительной оценке, не далее 2 тыс. км). Это позволит увеличить зону совместной видимости, вследствие чего большее количество НКА будет наблюдаться синхронно с опорных станций и с позиционируемого объекта.
В ходе диссертационного исследования были выявлены следующие важные направления деятельности, целью которой является обеспечение максимально эффективного использования возможностей, предоставляемых методикой точного дифференциального позиционирования.
Необходимо сокращение до 30 с интервала задания поправок БШВ НКА во всех типах продуктов ЭВИ МГС и СВОЭВП, в том числе в предварительных. Это позволит сократить время сходимости решения по методике ТДП без применения дополнительных поправок фазовых измерений. Ранее важность сокращения интервала представления поправок БШВ отмечалась авторами работы [77].
Целесообразно обеспечить возможность широкого применения программного обеспечения, распространяемого бесплатно под свободной лицензией, в частности RTKLIB [107], BNC [59]. Для этого следует выполнить перевод на русский язык документации, инструкций по применению и провести сертификацию этого программного обеспечения.
Необходимо создание на основе усовершенствованной методики ТДП и последних разработок, описанных в 1.3, единой методики. Такая методика позволит выполнять определение координат на уровне точности, близком к сантиметровому, в режиме реального времени по данным измерений всех доступных ГНСС. На основе усовершенствованной методики ТДП возможно создание онлайн-службы высокоточного позиционирования. Такая служба могла бы выполнять следующие функции: - уточнение координат по файлу ГНСС-измерений потребителя; - предоставление потребителям поправок 5ф(0; - предоставление метеоданных, в частности временных рядов оценок влажной зенитной тропосферной задержки, характеризующей содержание водяного пара в атмосфере, а также данных непосредственно с метеостанций на опорных постоянно действующих станциях ГНСС; - апостериорный контроль состояния космического сегмента ГНСС, в том числе ГЛОНАСС, а также качества ЭВИ, как оперативной, так и апостериорно уточнённой.
Примерная зона действия такой службы, развёрнутой на основе геодезической сети постоянно действующих базовых станций Новосибирской области, показана на рисунке 10. Создание службы высокоточного позиционирования возможно также с использованием данных ГНСС-измерений сети МГС, что позволило бы расширить зону действия службы до глобальной.
На первом этапе служба могла бы работать в режиме постобработки. В дальнейшем её можно было бы дополнить функцией предоставления поправок в режиме реального времени через Интернет по протоколу NTRIP.
Актуальные направления работы
Целью экспериментального исследования являлась проверка состоятельности предложений по совершенствованию методики ТДП, а именно: - способа уточнения функциональной модели за счёт учёта дополнительной поправки фазовых ГНСС-измерений 5ф(ґ); - уточнённой априорной стохастической модели погрешностей измерений.
Для достижения указанной цели были спланированы и проведены эксперименты, заключавшиеся в сравнении погрешностей оценивания координат по исходному и усовершенствованному вариантам методики ТДП. Из числа постоянно действующих станций МГС были выбраны четыре опорные станции и 12 контрольных. Информация об этих станциях приведена в приложении Б. Исходный и усовершенствованный варианты методики ТДП были применены для оценивания координат контрольных станций. Оценка точности определения местоположения производилась по сравнению с исходными высокоточными координатами из результатов еженедельного уравнивания сети МГС.
По исходному варианту методики выполнялось оценивание координат непосредственно контрольных станций. В случае усовершенствованной методики предварительно выполнялся расчёт поправок 5ф(ґ) по данным сети опорных станций, затем эти поправки учитывались при оценивании координат контрольных станций.
Среднее расстояние от контрольной станции до ближайшей опорной составило 1,5 тыс. км, максимальное 2,7 тыс. км. Расположение контрольных и опорных станций представлено на рисунке 6. Такое расположение станций выбрано для подтверждения применимости поправок 5ф(0 на значительном удалении от опорной сети. А - опорная станция; - контрольная станция. Рисунок 6 - Расположение задействованных НИП с указанием их идентификаторов в сети МГС Исходные данные экспериментального исследования: - эталонные координаты станций МГС и геоцентра по результатам еженедельного уравнивания МГС за неделю GPS 1721 в ОЗСК; - результаты ГНСС-измерений на станциях МГС [63] продолжительностью семь суток (неделя GPS 1721) с 30.12.2012 по 05.01.2013 (отсутствуют данные контрольной станции Менделеево (MDVJ) за 31.12.2012 и опорной станции Ондржеёв (GOPE) за 30.12.2012); - предварительная (rapid) эфемеридно-временная информация GPS, предоставленная МГС [64], включающая эфемериды в виде таблиц координат НКА в ОЗСК с интервалом 15 мин, а также таблицы поправок БШВ с интервалом 5 мин; - параметры модели фазовых центров антенн НКА и НИП по результатам калибровки МГС [50]; - данные о состоянии космической группировки GPS, предоставляемые Лабораторией реактивного движения Калифорнийского технологического института [76]; - координаты мгновенного полюса вращения Земли, предоставляемые Международной службой вращения Земли и систем отсчёта [122]; - эфемериды тел Солнечной системы DE405, разработанные Лабораторией реактивного движения Калифорнийского технологического института [91]; - параметры модели океанического прилива FES2004 (без учёта внутрису-точных колебаний геоцентра - согласно [82 с. 112]), вычисленные обсерваторией Онсала (Швеция) [71] для каждой станции.
Значения координат контрольных станций, используемые в качестве исходных в процессе оценивания, предварительно округлялись до десятков метров, что примерно соответствует погрешностям навигационного решения.
Применялся прямой фильтр, что делает процесс оценивания координат аналогичным процессу оценивания в реальном времени. Оценивание координат выполнялось в статическом режиме. По умолчанию при вычислении свободных членов использовалась «ионосферно-свободная» комбинация высокоточных кодовых измерений на двух частотах (PI, Р2). Минимальная угловая высота НКА над горизонтом, при которой результаты измерений принимались в обработку, равна 10.
Результатами экспериментов являются временные серии отклонений оценок координат от их эталонных значений в ОЗСК для двенадцати контрольных станций. Продолжительность каждой серии 21 ч (с 3:00:00 до 23:59:30 по шкале времени GPS), интервал 30 с. Каждой станции соответствует семь временных серий (станции Менделеево – шесть серий) – на каждый день недели GPS 1721. Данные всех 83 серий были сгруппированы и вычислены 21-часовые серии среднеквадра-тических отклонений по каждой координате, а также общих среднеквадратиче-ских отклонений оценок пространственного положения от эталона. Результаты испытания усовершенствованной методики ТДП в статическом режиме приведены в приложении В. В таблице В.1 (приложение В) представлены оценки времени сходимости решения по исходному и усовершенствованному вариантам методики. В таблице В.2 (приложение В) представлена оценка точности определения местоположения по каждой станции с использованием двух вариантов методики. На рисунках В.1 – В.13 (приложение В) приведены графики, иллюстрирующие зависимость СКО оценки пространственного положения координат станций от продолжительности сеансов GPS-измерений для двух вариантов методики.
Сравнительный анализ времени сходимости решения по исходному и усовершенствованному вариантам методики точного дифференциального позиционирования
На рисунке 7 представлен график изменения среднеквадратических отклонений от эталона оценок пространственного положения, полученных по методике ТДП. Среднеквадратические отклонения вычислены по совокупности контрольных станций. При оценивании использовалась предварительная ЭВИ, включающая таблицу поправок БШВ с пятиминутным интервалом. График характеризует повышение точности решения по мере накопления измерительной информации.
Похожие диссертации на «Совершенствование методики точного дифференциального позиционирования с использованием глобальных навигационных спутниковых систем»
