Разработка аппаратурных методов учета влияния тропосферы при спутниковых измерениях в геодезии тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат технических наук Дымнов, Даниил Геннадьевич

• Дымнов, Даниил Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Дымнов, Даниил Геннадьевич

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И

КАРТОГРАФИИ.

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

РАЗДЕЛ 1. СОВРЕМЕННОЕ СОСТОЯНИЕ ПРОБЛЕМЫ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ТРОПОСФЕРЫ НА ИЗМЕРЕНИЯ ГЛОБАЛЬНЫМИ СПУТНИКОВЫМИ СИСТЕМАМИ.

1.1. Стратификация атмосферы. Задержка сигнала и рефракция радиоволн.

1.1.1 Состав атмосферы.

1.1.2 Задержка сигнала в атмосфере.

1.2. Модели нейтральной атмосферы, используемые при спутниковых измерениях.

1.2.1 Биквадратная модель Хопфилд.

1.2.2 Модифицированная модель Хопфилд.

1.2.3 Модель Саастамойнена.

1.3. Сравнительный анализ точности моделей нейтральной атмосферы.

РАЗДЕЛ 2. ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫ ГЛОБАЛЬНЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ.

2.1. Суть дифференциального метода работы.

2.2. Кинематика в реальном времени - RTK.

2.3. Методы передачи дифференциальной поправки.

2.3.1. Формат RTCM.

2.3.2. Ntrip - протокол передачи дифференциальных поправок через Интернет.

2.4. Классификация современных дифференциальных систем спутниковой навигации.

2.5. О высотном разносе приёмников при дифференциальном режиме работы глобальных спутниковых систем.

РАЗДЕЛ 3. РАЗРАБОТКА МЕТОДОВ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ТРОПОСФЕРЫ

БЕЗ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ МОДЕЛЕЙ.

3.1. Теоретическое обоснование.

3.2. Определение задержки в нейтральной атмосфере с использованием дифференциальной поправки.

3.2.1. Язык управления приёмниками GRIL.

3.2.2. Установка приёмника на выдачу дифференциальной поправки.

3.3. Определение задержки в нейтральной атмосфере с использованием бортовых эфемерид.

3.3.1. Система координат WGS-84.

3.3.2. Программа-конвертер tps2rin.

3.4. Определение задержки в нейтральной атмосфере с использованием точных эфемерид.

3.4.1. Точные эфемериды.

3.4.2. Системы отсчета ITRS и отсчетные основы ITRF.

3.4.3. Общеземной эллипсоид GRS80.

3.4.4. Учет вращения Земли.

3.4.5. Демонстрационный расчёт.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка аппаратурных методов учета влияния тропосферы при спутниковых измерениях в геодезии»

Для учёта влияния тропосферы в настоящий момент применяют моделирование и зондирование атмосферы. Процесс зондирования трудоёмок и при производстве геодезических работ с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (далее ГНСС), как правило, не применяется. В ГНСС используются различные модели. Любая модель является приближением и не позволяет полностью исключить влияние тропосферы или ионосферы на результаты измерений. Чаще всего при спутниковых измерениях для учёта влияния тропосферы применяются формулы (модели) Саастамойнена и Хопфилд.

Цель любой тропосферной модели - определение среднеинтегрального индекса преломления вдоль трассы, знание которого позволяет вычислить задержку сигнала в тропосфере и ввести соответствующую поправку.

Модельный учет задержки сигнала в тропосфере принципиально не может иметь высокую точность при использовании любых моделей, поскольку модель описывает лишь достаточно обобщенное и осредненное распределение индекса преломления вдоль трассы, которое может существенно отличаться от реальной стратификации на конкретной трассе. При моделировании не удается учесть реальное состояние атмосферы на момент выполнения измерений, в итоге возникают погрешности в результатах спутниковых определений, учёт которых весьма трудоёмок, а в ряде случаев и вовсе невозможен.

Большой интерес представляет проблема отыскания метода, который позволил бы определять или исключать тропосферную поправку (задержку сигнала в тропосфере) без всякого использования модельных представлений, подобно тому, как это осуществляется по отношению к ионосферной поправке, которую можно определить или исключить применением двухчастотного метода, основанного на использовании дисперсии радиоволн в ионосфере. Однако тропосфера является для радиоволн недиспергирующей средой, поэтому для нее двухчастотный метод неприменим и нужно искать какие-то другие способы.

Теоретической основой для проведённого исследования явился метод, описанный в отчёте о НИР «Тропион» (МИИГАиК, 2006 г.) в разделе 3.2 «О возможности аппаратурного определения тропосферной поправки без привлечения моделей». При выполнении этой НИР был предложен метод, который позволил бы определять или исключать тропосферную поправку (задержку сигнала в нейтральной атмосфере) без использования модельных представлений. Указано, что решение этой задачи может быть основано на использовании метода передачи дифференциальных поправок, основная идея которого заключается в следующем.

Как известно, при дифференциальном методе на референцной станции, установленной в точке с известными координатами, вычисляются «эталонные» расстояния и сравниваются с измеренными, в результате чего получают дифференциальные поправки, передаваемые на роверный приемник. При наблюдении одного спутника эти поправки будут содержать .задержку в тропосфере, задержку в ионосфере и ошибку часов (обусловленную несинхронностью хода часов спутника и приемника). Действительно, измеренная псевдодальность Р описывается выражением:

Р = р + Атроп + А„он + с-Деч, (1) где р - геометрическая дальность,

Атроп и Аион - выраженные в линейной мере задержки в тропосфере и ионосфере соответственно,

Д1:ч - относительный уход часов, с - скорость света в вакууме.

Вычисленная же по координатам спутника и референцного приемника дальность -это геометрическое расстояние р, и разность вычисленной и измеренной дальностей будет

5 = Атроп + Аион + с-А1ч. (2)

Существенным обстоятельством является то, что ошибки эфемерид спутника войдут как в вычисленное расстояние, так и в измеренное, и в разности (2) исключатся.

Если же на референцной станции, как это обычно и бывает, наблюдаются четыре и более спутников, то наряду с тремя координатами станции определяется и поправка часов ДЪ,, что позволяет исключить из разности (2) член (с-ДЪ, ), и эта разность будет содержать только задержки в тропосфере и ионосфере.

Используя двухчастотный приёмник, можно исключить ионосферный член АИОн из разности (2). Следовательно, предусмотрев соответствующие алгоритмы обработки в программном обеспечении, можно реализовать случай, когда дифференциальная поправка 5, передаваемая на роверный приемник, например, в формате 11ТСМ-104, будет содержать в себе только тропосферную задержку Лтроп.

Таким образом, мы получаем метод аппаратурного определения задержки сигнала в тропосфере, или, другими словами, аппаратурный метод учета влияния тропосферы без привлечения каких бы то ни было моделей (при условии, что приемники разнесены на не слишком большое расстояние).

Точность этого метода требует дополнительных исследований, однако ожидается, что она будет выше, чем при использовании моделей — хотя бы за счет того, что предлагаемый метод позволяет работать в реальном времени.

В диссертационной работе предполагалось выполнить теоретические и экспериментальные исследования приведённого выше метода. Изучение данного вопроса проходило параллельно с практической реализацией и проверкой теоретических выкладок. Было проведено большое количество экспериментов, что позволило доработать начальную теорию, внести необходимые корректировки и дополнения. В итоге, после внесения ряда правок, теоретическое обоснование предложенного метода подтверждено практической реализацией.

Заключение диссертации по теме «Геодезия», Дымнов, Даниил Геннадьевич

выводы, предложения и рекомендации можно сформулировать следующим образом.

1. Проведён анализ существующих наиболее распространённых моделей. Проанализированы четыре модели: биквадратная модель Хопфилд, модель Саастамойнена, модифицированная модель Хопфилд и упрощённая модель, описываемая соотношением (1.2.14). Доказана их примерная «равноточность». Выявлены и проанализированы недостатки модельного учёта тропосферного влияния. Результаты анализа предоставлены в графической и табличной формах.

2. Изучена идея метода, описанного в отчёте о НИР «Тропион» (МИИГАиК, 2006 г.) в разделе 3.2 «О возможности аппаратурного определения тропосферной поправки без привлечения моделей». На основе указанного метода разработана теория и спроектированы и проведены эксперименты.

3. Доработан метод, указанный в пункте 2. Доказано влияние эфемеридных данных на получаемые результаты. Указаны ошибки, получаемые при использовании разных видов эфемерид (бортовые, ультрабыстрые, быстрые, точные и финальные). Обоснована необходимость использования точных (финальных) эфемерид, что позволяет снизить ошибки прогнозирования до нескольких сантиметров.

4. Доказана необходимость учета суточного вращения Земли и описан один из методов его учёта. Приведены значения ошибок, возникающих из-за суточного вращения Земли.

5. Проведены исследования влияния вертикального разнесения приёмников при относительном методе работы. Экспериментально и теоретически доказана необходимость данного учёта. Результаты исследований представлены в табличной и графической форме.

6. Разработан и экспериментально исследован метод определения задержки в нейтральной атмосфере с использованием дифференциальной поправки. Предложена схема установки, даны указания по проведению вычислений с использованием данного метода. Сделаны выводы, оценены достоинства и недостатки.

7. Разработан и экспериментально исследован метод определения задержки в нейтральной атмосфере с использованием бортовых эфемерид. Предложена схема установки, даны указания по проведению вычислений с использованием данного метода. Сделаны выводы, оценены достоинства и недостатки.

8. Разработан и экспериментально исследован метод определения задержки в нейтральной атмосфере с использованием точных эфемерид. Предложена схема установки, даны указания по проведению вычислений с использованием данного метода. Сделаны выводы, оценены достоинства и недостатки. Доказано преимущество данного метода перед первыми двумя и обоснована возможность использования метода для определения тропосферного воздействия на спутниковый сигнал.

Параллельно с вычислениями тропосферной задержки по точным эфемеридам проводился расчёт влияния по упрощённой модели (1.2.14). Несмотря на крайнюю простоту, качество этой формулы подтвердилось при сравнительном анализе её с прочими моделями.

Величина расхождений между модельными данными и данными, полученными по аппаратурному методу с точными эфемеридами, колебалась в диапазоне нескольких метров. Этот факт даёт основание сделать вывод, что предложенный метод позволяет определять влияние нейтральной атмосферы на спутниковый сигнал и нуждается в дальнейшем развитии и доработке.

Разброс результатов с модельными данными носит случайный характер и, как сказано выше, не превышает нескольких метров. Полученные результаты указывают на необходимость дальнейшей проработки метода. Так, например, в проведённом исследовании не учитывалась задержка в цепях приёмника и влияние переотражённых сигналов на результат измерений. При дальнейшем учёте этих и ряда других факторов можно будет ставить вопрос о сравнительном анализе точности модельных и аппаратурных результатов. Пока можно с уверенностью сказать, что аппаратурный учёт влияния нейтральной атмосферы на спутниковый сигнал возможен.

Рассмотренный в данной работе способ учёта тропосферы с точными эфемеридами может с успехом применяться во многих геодезических работах, где наблюдения делятся на два этапа - определение базовых точек и от них определение всех остальных.

Метод может быть распространен и на фазовые дальности. Ожидается, что при этом точность учёта тропосферного влияния будет ещё выше.

Современные ГНСС постоянно развиваются, и модельный учёт тропосферы неизбежно станет сдерживающим фактором для дальнейшего развития системы. Проделанная работа представляет иной подход и открывает дополнительные направления для исследований.

Заключение

Полученные в настоящей работе результаты и соответствующие

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Дымнов, Даниил Геннадьевич, 2009 год

1. Абалакин В.К., Краснорылов И.И., Плахов Ю.В. Геодезическая астрономия и астрометрия. Справочное пособие. — М.: "Картгеоцентр" — "Геодезиздат", 1996.-435 с.

2. Антонович K.M. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии Текст. В 2 т. Т. 1. Монография / K.M. Антонович; ГОН ВПО "Сибирская государственная геодезическая академия". М.: ФГУП "Картгеоцентр", 2005. - 334 с.

3. Антонович K.M. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии Текст. В 2 т. Т. 2. Монография / K.M. Антонович; ГОН ВПО "Сибирская государственная геодезическая академия". М.: ФГУП "Картгеоцентр", 2006. - 360 с.

4. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П. Радиогеодезические и электрооптические измерения: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1985.-303 с.

5. Виноградов В.В. Влияние атмосферы на геодезические измерения. М.: Недра, 1992.-253 с.

6. Голубев А.Н. Глобальные спутниковые навигационно-геодезические системы. Учебное пособие. М., 2003 г. 66 с.

7. Голубев А.Н. Основы геотроники. Электронные методы и средства геодезических измерений. Учебное пособие для студентов геодезических специальностей вузов. М., 2003.- 88 с.

8. Голубев А.Н., Прилепин М.Т. Электрооптические и радиогеодезические измерения. Конспект лекций для студентов аэрофотогеодезической специальности. Москва 1972 г. 66 с.

9. Голубев А. Н., Дымнов Д. Г. О возможности аппаратурного определения тропосферной поправки без привлечения моделей при спутниковых измерениях // "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", 2008. № 1.

10. ГОСТ 25645.142-86. Ионосфера Земли. Модель глобального распределения электронной концентрации. М., 1986.

11. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и её применение в геодезии. М., «Картгеоцентр» «Геодезиздат», 1999 г.

12. Дымнов Д. Г. О высотном разносе приемников при дифференциальном режиме работы глобальных спутниковых систем // "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", 2008. № 3.

13. Дымнов Д. Г. Исследование зависимости длины трассы сигнала от угла возвышения спутника ГНСС // "Известия вузов. Геодезия и аэрофотосъемка", № 5, 2009. с. 66 68.

14. Жуков A.B., Серапинас Б.Б. Практикум по спутниковому позиционированию. — М., изд. МГУ, 2002.- 118 с.

15. Зубинский В.И., Изотов A.A., Макаренко Н.Л., Микиша A.M. Основы спутниковой геодезии. М., "Недра", 1974. 320 с.

16. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС. М., 2007. 70с.

17. Интерфейсный язык GPS приемника (GRIL) Версия 2.1 Март, 14, 2000.

18. Калинин А.И. Распространение радиоволн на трассах космических и наземных радиолиний. — М., «Связь», 1979. 296 с.

19. Космическая геодезия: учебник для вузов/ В.Н. Баранов, Е.Г. Бойко, И.И. Краснорылов и др. М.: Недра, 1986. - 407 е.,

20. Колосов М.А., Арманд H.A., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. — М., «Связь».- 1969.

21. Лаурила С. Электронные измерения и навигация: Пер. с англ. М.: Недра, 1981.-480 с.

22. Лобачев В.М. Радиоэлектронная геодезия. М., Недра, 1980.- 327 с.

23. Луповка В.А., Луповка Т.К. Учебное пособие "Основы космической геодезии с элементами фотограмметрии", часть 1. — Издание второе, исправленное. -М.: МИИГАиК, 2002.- 80 с.

24. Лэнгли Р . (Richard В. Langley), University of New Brunswick. Перевод статьи, опубликованной в январе 1999 года в журнале GPS World Advanstar Communications, 859 Willamette Street, Eugene, OR 97401, USA Перевод выполнен "Навгеоком".

25. Меллер И., Введение в спутниковую геодезию. Перевод с английского / Под ред. A.B. Бутчевича. "Мир", М., 1967 г.

26. Пеллинен Л.П. Высшая геодезия (Теоретическая геодезия). М., Недра, 1978.-264 с.

27. Поваляев Е., Хуторной С. Дифференциальные системы спутниковой навигации. Обзор современного состояния. http://seldom.bv/show/articles10

28. Поваляев A.A. Обзорно-демонстрационная лабораторная работа "Определение абсолютных координат приёмника в спутниковых радионавигационных системах. Москва, МАИ, 2004.

29. Проворов К.Л., Носков Ф.П. Радиогеодезия. Изд. 2, испр. и доп. М., "Недра", 1973. 352 с.

30. Руководство пользователя PC-CDU. Версия 2.1.10 MS (10 июня 2002). Topcon Positioning Systems, Inc 2002., 93 с.

31. Руководство по эксплуатации Leica GNSS Spider. Leica Geosystems. Москва, 2008, 38 c.

32. Руководство пользователя TopNET-R., Редакция "В", Topcon Positioning Systems. Пер. Москва, 2006., 124 с.

33. Серапинас Б.Б. Основы спутникового позиционирования. М., изд. МГУ, 1998.- 83 с.

34. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования: учеб. изд. М.: ИКФ "Каталог; 2002. - 106 с.

35. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и е приложения. — М., ЭКО-ТРЕНДЗ, 2003. 326с.

36. Справочник геодезиста: В 2-х книгах. Кн. 1. / Под ред. В.Д. Большакова и Г.П. Левчука. 3-е изд., - М.: Недра, 1985. - 440 с.

37. Справочник геодезиста: В 2-х книгах. Кн. 2. / Под ред. В.Д. Большакова, Г.П. Левчука. 3-е изд., - М.: Недра, 1985. - 455 с.

38. Степурин А. В. Протокол GPRS. Краткие инструкции для новичков. — М.: ООО "Аквариум-Принт", К.: ОАО "Дом печати ВЯТКА". 2005. - 28 с.

39. Уралов С.С. Курс геодезической астрономии: Учебник для вузов. М.: Недра, 1980. - 592 с.

40. Урмаев М.С. Космическая фотограмметрия: Учебник для вузов. — М.: Недра, 1989.-279 с.

41. Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. Наземные и спутниковые радиоэлектронные средства и методы выполнения геодезических работ. Учебное пособие М.; УПП «Репрография» МИИГАиК, 2001, - 136 с.

42. Шебшаевич B.C., Григорьев М.Н., Кокина Э.Г., Мищенко И.Н., Шишман Ю.Д. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 1. С. 5-32.

43. Фундаментальное и прикладное координатно-временное и навигационное обеспечение (КВНО-2007). Вторая Всероссийская конференция. СПб.: ИПА РАН, 2007. 304 с.

44. Global Positioning Systems, Inertial navigation, and Integration. Vohinder S. Gerwal, Lawrence R. Weill, Anges P. Andrews.

45. GPS Basics. Introduction to the system. Application overview. Zogg J.M.

46. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System. Theory and Practice. Springer-Verlag, Wien/New York, 1993, pp.200.

47. Hop field H. Two-quadratic tropospheric refractivity profile for correcting satellite data. JGR, v.74, No. 18, 1969.

48. INTERFACE SPECIFICATION IS-GPS-200 Revision D IRN-200D-001 ; 7 March 2006.

49. ITRS and WGS84, last update: 2007-10-11. ftp://itrf.ensg.ign.fr/pub/itrf/WGS84.TXT

50. Saastamoinen J.J. Contributions to the theory of atmospheric refraction. — Bull. Geod. 107 (1), 1973, pp.13-34.

51. Seeber G. Satellite geodesy: foundations, methods, and applications. -Berlin/New York, 1993, pp.531.

52. The Extended Standard Product 3 Orbit Format (SP3-c); 12 February 2007; Steve Hilla, National Geodetic Survey, National Ocean Service, NOAA, Silver Spring, MD 20910-6233, USA.