CC BY
149
УДК 629.783:551.24
ПРОБЛЕМА СРЫВОВ ФАЗОВЫХ НАБЛЮДЕНИЙ В МЕТОДЕ ТОЧНОГО ТОЧЕЧНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ
Николай Сергеевич Косарев
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, инженер, аспирант кафедры физической геодезии и дистанционного зондирования СГГА, тел. 8-913-706-9195, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Станислав Олегович Шевчук
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный проспект, 67, и.о. зав. отделом геодезического обеспечения геолого-геофизических работ, тел. (383)22-45-86, e-mail: staspp@211.ru
В статье рассмотрена проблема фазовых срывов в динамических наблюдениях методом позиционирования PPP и предложены пути решения, требующие подробных исследований в дальнейшем.
Ключевые слова: ГНСС, PPP, двухчастотные измерения, срывы фазы, кинематика.
THE PROBLEM OF CARRIER-PHASE CYCLE SLIPS IN PRECISE POINT POSITIONING
Nikolai S. Kosarev
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, engineer, post-graduate students of physical geodesy and remote sensing, tel. 8(913)706-9195, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Stanislav O. Shevchuck
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS), 630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Prospekt, acting as a head of the department of the geodetic maintenance of geophysical works, tel. (383)222-45-86, e-mail: staspp@211.ru
In article the problem of the dynamic satellite positioning carrier-phase cycle slips in PPP method. The solutions is proposed for the research in future.
Key words: GNSS, PPP, cycle slips, dual-frequency, positioning in kinematics.
Среднеквадратическая погрешность при выполнении спутникового позиционирования абсолютным (точечным) методом обычно составляет 3-5 м, в отличие от позиционирования дифференциальным и относительным методами, позволяющих достигать точности первых сантиметров и выше [1, 2, 3, 4].
В настоящее время за счёт развития систем информационной поддержки ГНСС, точность позиционирования абсолютным методом может быть значительно повышена посредством применения точных апостериорных параметров орбит (эфемерид) и поправок к спутниковым часам. Это является основой метода точного точечного позиционирования PPP (Point Precise Positioning). Данный метод обеспечивает точность позиционирования вплоть до сантиметров при статических наблюдениях [5, 6, 7, 8] и первых дециметров -для кинематических [7, 8, 9, 10]. Главным преимуществом данного метода
является отсутствие затрат на размещение базовых станций или заказ и приём дифференциальных RTK-поправок.
Реализовать метод PPP можно в специальном ПО (например, WayPoint GrafNav, GIPSY, Bernese, RTKLib).
К основным недостаткам метода можно отнести необходимость наличия дополнительных данных (файлов точных орбит и поправок к часам, рассчитываемых, например, международной ГНСС службой - IGS), а следовательно - доступ к Интернету или другим источникам данных.
Вышеперечисленное позволяет сделать вывод о применимости данного метода для решения широкого круга задач, в том числе позиционирования подвижных объектов. Например, в статьях [10, 11, 12] предложено применение данного метода для позиционирования элементов аэрогеофизического электромагнитного комплекса «Импульс-Аэро» [13, 14].
Однако, как и в других методах, качество определения координат методом PPP, зависит от учёта так называемых аномальных выбросов. Под аномальными выбросами следует понимать потери счёта циклов, ионосферные всплески, вызванные магнитными бурями, и ионосферными сцинтилляциями, а также многопутность (что особенно актуально при позиционировании летательных аппаратов) [1, 15].
Потери счёта циклов могут возникнуть из-за препятствий на пути распространения радиосигнала, вследствие низкого отношения величины «сигнал-шум», высокой динамики спутниковой антенны (кинематические измерения), а также малой высоты спутников над горизонтом.
Рассмотрим, как образуется потеря счёта циклов в фазовых наблюдениях. При включении приемника наблюдается дробная часть фазы биений (то есть разность между сигналом, принятым со спутника приёмником, и сгенерированным приемником ответным сигналом), и инициализируется счетчик целых циклов. Во время наблюдений при изменении фазы от 0 до 2л (или от 0 до -2л) показания счетчика изменяются соответственно на +1 или -1 цикл.
Таким образом, в данную эпоху наблюденная накопленная фаза Лср представляет сумму дробной фазы (р и целого отсчета п. Начальное целое число циклов N в расстоянии между спутником и приемником является неизвестным. Эта фазовая неоднозначность остается постоянной до тех пор, пока нет потери захвата сигнала. При восстановлении захвата сигнала счетчик целых циклов инициализируется повторно, что вызывает скачок в непрерывно накапливаемой фазе на целое число циклов.
Важно отметить, что данная проблема при позиционировании относительным методом (с привлечением измерений базовой станции) решается за счёт образования разностных наблюдений (одинарных, двойных, тройных разностей). Причём тройные разности используются для выявления потерь счёта циклов [1, 15].
Однако, для метода PPP построение двойных - тройных разностей невозможно, что обуславливает необходимость в исследовании данной проблемы и поиске эффективной решений, в частности для кинематических измерений.
В данной статье рассматриваются результаты экспериментальных измерений, выполненных в рамках аэрогеофизических работ, выполненных летом 2012 года в Ямало-Ненецком автономном округе с использованием ЭМ-комплекса «Импульс-Аэро».
Использовался ГНСС приёмник NovAtel DL-V3, антенна которого устанавливалась на зеркало заднего вида, как показано на рис. 1. В силу отсутствия специальных разрешений было запрещено устанавливать антенну в наиболее благоприятных условиях приёма спутниковых сигналов - на ось редуктора (несущего винта) или на хвостовую балку.
Рис. 1. Установка антенны ГНСС приёмника на зеркале заднего вида кабины вертолёта
Перед вылетом выполнялась статическая инициализация приёмника (около 90 минут).
Обработка выполнялась методом PPP по окончательным файлам эфемерид и поправок к спутниковым часам. Для сравнения дополнительно производилась обработка измерений относительным методом (базовая станция Javad Trшmph-1, находившаяся на расстоянии до 50 км).
Результаты измерений, в силу влияния большого количества негативных факторов (частичное закрытие радиогоризонта фюзеляжем вертолета и несущим винтом, большое количество срывов, нарушение геометрического фактора) были нестабильны как по классу решений (Р), так и по критерию непрерывности.
Это можно проследить по графикам геометрического фактора, рис. 2, срывов приема фазы для наблюдаемых спутников (потери счета циклов), рис. 3 и классов решений, рис. 4.
Время GPS, с
-PDOP—HDOP—VDOP
Рис. 2. Значения геометрического фактора (PDOP, HDOP,VDOP)
в процессе полёта
454000 456000 458000 460000 462000 464000 466000 468000 470000
Week 1693
454000 456000 458000 460000 462000 464000 466000 466000 470000
Рис. 3. Графики потерь счета циклов (отмечены красными поперечными штрихами) для Ь1 (вверху) и Ь2 (внизу)
Фи ксированное 'решение
В ре лая GPS (секунды текущей GPS-недели)
— Кодовое DGP5
Стабильное плавающее
Зашумленное плавающее
Рис. 4. Типы решений для относительного метода позиционирования (верхний) и для PPP (нижний)
В ПО GrafNav для оценки точности результатов обработки предусмотрена величина Q, типы решений в ПО GrafNav:
Q=1 - фиксированное целое решение (точность 0 - 0,15 м);
Q=2 - зашумленное целое или сходящееся плавающее решение (точность 0,05 - 0,4 м);
Q=3 - сходящееся плавающее решение (точность 0,2 - 1 м);
Q=4 - сходящееся плавающее решение (точность 0,5 - 2 м);
Q=5 - плавающее DGPS-решение (точность 1 - 5 м);
Q=6 - плавающее DGPS-решение (точность 2 - 10 м).
Для оценки точности было произведено сравнение решений, полученных относительным методом и методом PPP для соответствующих эпох. Разности приведены на рис. 5.
■5 J-
0 5000 10000 15000 20000 25000 30000
Эпохи от начала измерений
Рис. 5. Разности координат полученных точек треков для решений относительным методом и PPP (фрагмент)
В результате анализа указанных данных (см. рисунки 2-5) были сделаны следующие выводы:
- при установке антенны ГНСС приёмника на зеркале заднего вида кабины пилотов наблюдаются явные срывы слежения фазы, сказывающиеся как на геометрическом факторе, так и на классе решений;
- метод PPP более чувствителен к потерям счёта циклов, что приводит к более низкому классу решений и наличию резких скачкообразных смещений в определяемых координатах.
Проблема может быть решена следующими способами [15, 16, 17, 18]:
- интеграция ГНСС данных и данных ИНС (инерциальных навигационных систем) [19];
- применение методики контроля фазовых измерений в пространстве координат [16, 17, 18];
- разработка принципиально новой методики обработки фазовых ГНСС данных по методике контроля измерений в пространстве координат в совокупности с данными ИНС.
Таким образом, в рамках данной статьи рассмотрена проблема фазовых срывов в динамических наблюдениях различными методами позиционирования и предложены пути решения, требующие подробных исследований в дальнейшем.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: монография. В 2 т. Т. 2. М.: Картгеоцентр, 2006. - 360 с.
2. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позичионирования / Б.Б. Серапинас. - М.: ИКФ «Каталог», 2002. - 106 с.
3. El-Rabbany, Ah. Introduction to GPS / Ah. El-Rabbany. - British Library Cataloguing in Publication Data. - 2002. - 176 p. - Англ
4. Leick, A. GPS Satellite Surveying / A. Leick. - New York: A Willey-Interscience Publication. -2004. - 464 p. - Англ.
5. Виноградов, А.В. Оценка точности метода Precise Point Positioning и возможности его применения при кадастровых работах / А.В. Виноградов, А.В. Войтенко, А.Ю. Жигулин // Геопрофи. - 2010. - №2. - с. 27 - 30.
6. Липатников Л. А. О методике точного дифференциального позиционирования (Precise Point Positioning) и перспективах её совершенствования // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : сб. молодых учёных СГГА (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012.-С. 48-53.
7. Bisnath S. Precise Point Positioning - A Powerful Technique with a Promising Future [Text] / S.Bisnath, Y.Gao - Англ. - GPS World. - 2009. - №4. - p.43-50.
8. Hofmann-Wellenhof, B. GNSS - Global Navigation Satellite Systems GPS, GLONASS, Galileo and more / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, E. Wasle - Wien, New-York: Springer. - 2008. - 516 p. - Англ.
9. Шевчук, СО. Исследование метода точного точечного позиционирования для геодезического обеспечения геолого-геофизических работ // Интерэкспо ГЕ0-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2.-С. 251-258.
10. Шевчук С О., Косарев Н.С. Применение метода точного точечного позиционирования (PPP) для геодезического обеспечения аэроэлектроразведочных работ // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика,
картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2. - С. 239-244.
11. Шевчук, С О. Навигационное и геодезическое обеспечение аэроэлектромагнитных исследований с подвесной вертолётной платформой // Геология и Минерально-сырьевые ресурсы Сибири - 2012. - № 2. - С. 72-75.
12. Навигационно-геодезическое обеспечение аэрогеофизических исследований / Г.М. Тригубович, С О. Шевчук, А.А. Белая и др. // Геология и минерально-сырьевые ресурсы Сибири
- 2013. - № 2. - С. 61-69.
13. Особенности построения высокоточной аэрогеофизической системы серии «Импульс-Аэро» / С.В. Барсуков, А.А. Белая, Ю.Ю. Дмитриев, А.С. Сверкунов, Е.Н. Махнач, Г.М. Тригубович // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Недропользование. Горное дело. Новые направлении и технологии поиска, разведки и разработки месторождений полезных ископаемых» : сб. материалов в 2 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). -Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 1. - С. 224-229.
14. Тригубович, Г.М. Аэрогеофизические вертолетные платформы серии «Импульс» для поисково-оценочных исследований / Г.М. Тригубович, М.Г. Персова, С.Д. Саленко // Приборы и системы разведочной геофизики - 2006. - № 2(16) - С. 18-21.
15. Косарев Н. С. Восстановление фазы несущей: проблемы и пути решения // Вестник СГГА.
- 2012. - Вып. 1 (17). - С. 53-60.
16. Антонович К. М., Косарев Н. С.О возможности контроля непрерывной фазы несущей при ГНСС наблюдениях // ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 2. -С.164-168.
17. Антонович К. М., Косарев Н. С. Метод контроля кодовых и фазовых псевдодальностей в пространстве координат // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2012. - № 2/1. -C.11-15.
18. Антонович К. М., Косарев Н. С. Использование геометрической дальности для контроля ГНСС измерений // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2012. VIII Междунар. науч. конгр. : Междунар. науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т. (Новосибирск, 10-20 апреля 2012 г.). - Новосибирск: СГГА, 2012. Т. 2.
С.245-250.
19. Абсолютное кинематическое позиционирование одночастотным фазовым ГНСС-приемником, интегрированным с инерциальными датчиками / К. М. Антонович, Н. С. Косарев, Д. Ю. Першин, А. С. Щербаков // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъёмка. - 2012. - № 4/с. - С. 3-8.
© Н. С. Косарев, С. О. Шевчук, 2014
