CC BY
682
О МЕТОДИКЕ ТОЧНОГО ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ (PRECISE POINT POSITIONING) И ПЕРСПЕКТИВАХ ЕЁ СОВЕРШЕНСТВОВАНИЯ
Леонид Алексеевич Липатников
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, Россия, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры астрономии и гравиметрии СГГА, тел. +7 (923)227-89-57, e-mail: [email protected]
Представлены общие сведения о методике точного дифференциального позиционирования, более известной как Precise Point Positioning. Изложены основные преимущества методики по сравнению с относительным методом координатных определений. Представлены некоторые пути совершенствования методики, которые позволят в несколько раз сократить требуемую продолжительность сеансов измерений, и обеспечат возможность определения нормальных высот наряду с геометрическими координатами.
Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС), методика точного дифференциального позиционирования (ТДП).
ON PRECISE POINT POSITIONING AND ITS FUTURE DEVELOPMENT
Leonid A. Lipatnikov
Siberian State Academy of Geodesy, 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Str., Ph. D. student, department of astronomy and gravimetry SSGA, tel. +7(923)227-89-57, e-mail: [email protected]
An introduction into Precise Point Positioning technique is provided in the article. The most important advantages of the technique against relative positioning are presented. Also some ways of improvement of the technique are highlighted. They can allow reduction of sufficient duration of GNSS measurements sessions and provide possibility to determine normal height as well as geometric coordinates.
Key words: Global Navigation Satellite Systems (GNSS), Precise Point Positioning (PPP).
В настоящее время одним из наиболее часто применяемых методов космической геодезии при создании геодезических сетей локального и регионального масштаба является относительный метод. В частности, он применялся при определении координат пунктов сети активных базовых станций Новосибирской области [1]. К достоинствам этого метода можно отнести доступность программного обеспечения и уровень точности от сантиметрового до субсантиметрового при создании геодезических построений, в которых расстояния между пунктами ограничены несколькими десятками километров [2]. Одним из наиболее серьёзных недостатков этого метода является снижение точности определения векторов базовых линий с увеличением их длин, что проявляется в ходе работ по определению координат исходного пункта сети активных базовых станций Новосибирской области в общеземной системе координат (ОЗСК) [3].
В качестве альтернативы обработке сверхдлинных базовых линий для высокоточного определения местоположения удалённых пунктов может
применяться методика точного дифференциального позиционирования (ТДП), более известная под англоязычным названием «Precise Point Positioning» (PPP). Достижимая точность определения координат по методике ТДП в настоящее время находится на уровне от нескольких мм до 1,5 см по каждой плановой координате и около 2 см по геодезической высоте при обработке результатов суточных сеансов измерений [4]. Эта методика позволяет определять координаты наземного измерительного пункта (НИП) без непосредственной привязки к наземной координатной основе. Таким образом, пользователю для оценивания координат НИП требуются результаты ГНСС-измерений лишь одного пункта, являющегося определяемым. Высокая точность определения координат достигается за счёт использования фазовых ГНСС-измерений совместно с кодовыми, за счёт использования точных эфемерид и поправок часов навигационных космических аппаратов (НКА), а также адекватного моделирования различных эффектов, влияющих на результаты ГНСС-измерений. Подробно методика описана в работах [5, 6]. Обобщённые модели ГНСС-измерений представлены в работе [7]. Наиболее точные современные модели эффектов, проявляющихся в результатах ГНСС -измерений, обобщены в Соглашениях Международной службы вращения Земли и систем отсчёта [8].
Методика ТДП является вариантом дифференциального метода космической геодезии с представлением поправок в пространстве параметров состояния динамической системы. В некоторых отечественных источниках [4] методику ТДП ассоциируют с абсолютным методом космической геодезии в силу того, что состав исходной информации тот же, что и в абсолютном методе: эфемериды и параметры бортовых шкал времени. Однако при этом упускается тот факт, что используемая в случае ТДП уточнённая эфемеридно-временная информация (ЭВИ) является апостериорной. Её уточнение происходит по результатам ГНСС-измерений сети опорных станций.
Существует несколько программных продуктов, позволяющих уточнять координаты определяемого пункта по методике ТДП. Эта возможность реализована как в некоторых научных программных продуктах (GIPSY OASIS II, Bernese), так и в коммерческом ПО, к которому относится Waypoint GPS (NovAtel) [4]. Также существуют программные продукты, распространяемые свободно, например, GPS Toolkit [9]. Кроме того, существуют бесплатные онлайн-службы уточнения координат, основанные на методике ТДП.
Недостатком исходного варианта методики ТДП является необходимость обработки продолжительных (суточных) сеансов ГНСС -измерений для достижения уровня точности определения координат пункта порядка первых сантиметров. Кроме того, область применения методики ТДП в геодезии ограничивает тот факт, что она позволяет определять лишь геометрическое положение НИП в ОЗСК, в то время как для решения многих задач этого недостаточно: зачастую требуется определение нормальной высоты, а также астрономических координат. Рассмотрим некоторые перспективы совершенствования методики точного дифференциального позиционирования, связанные с уменьшением продолжительности сеансов ГНСС -измерений, повышением точности решения и расширением функциональности.
Одним из наиболее активно развивающихся направлений совершенствования методики ТДП является разрешение неоднозначности фазовых измерений или их одинарных разностей, что требует ввода дополнительных поправок модели фазовых измерений, определяемых по наблюдениям сети опорных станций. Эффект такого подхода заключается в сокращении в несколько раз требуемой продолжительности сеанса ГНСС-измерений для достижения заданного уровня точности оценивания координат определяемого пункта [10,11].
Повышение точности определения местоположения по методике ТДП и сокращение количества требуемой измерительной информации также могут быть достигнуты за счёт уточнения применяемой модели ГНСС-измерений. В рамках диссертационного исследования автора экспериментально установлено, что при решении по методике ТДП коэффициент корреляции остаточных невязок уравнений наблюдений одного НКА при определении координат двух НИП в течение одного периода времени достигает 0,97 при расстоянии между НИП более 1,6 тысяч километров. На рисунке приведён график изменения остаточных невязок уравнений наблюдений одного НКА GPS, полученных в результате решения по методике ТДП для трёх НИП Международной ГНСС-службы (МГС): Мадрид (MADR), Турин (IENG), Бад-Кёцтинг (WTZZ).
Остаточная невязкая, м
^ у < і
и ,2 ' і
U, LJ ' П 1 ■'
ид А I
U,Uj ' 0 \ Л Л /w ! / • ч ь,- ■h
V \ г ^ K.J W "Л і 4 /
-U, Uj ' • V А л / V к/ V V V V ■W
-ид \г*Г ¥ V
-и ,Z 0 5 0 —*- 5 : -MAD! >о : г. —— .5 ; -IENG І0 ; І5 WTZZ ю 15 ; о ; Bpei\ Г 5 ІЯ, МИН
Рис. Остаточные невязки уравнений фазовых измерений по результатам оценивания координат трёх пунктов МГС по методике ТДП
В примере, приведённом на рисунке, разброс остаточных невязок относительно нуля характеризуется среднеквадратическим отклонением порядка
0,06 м. Среднеквадратическое отклонение остаточных невязок относительно их среднего на каждый момент времени составляет около 0,01 м. Значительная коррелированность остаточных невязок на удалённых пунктах позволила сделать вывод о том, что существует не учитываемый моделью эффект в
аппаратуре НКА, проявляющийся одинаково на всех НИП. На основе этого предположения был предложен способ расчёта поправки модели фазовых измерений
с использованием наблюдений опорных станций: поправку предлагается определять как среднее значение остаточных невязок на опорных станциях с обратным знаком. Предполагается, что учёт рассчитываемой таким способом поправки позволит сократить продолжительность сеансов измерений, требуемую для достижения заданного уровня точности, не прибегая к разрешению неоднозначностей фазовых измерений. В настоящее время автором разрабатывается программное обеспечение, реализующее указанный способ учёта выявленного эффекта для экспериментальной проверки предположения.
Расширение функциональности систем дифференциальной коррекции, основанных на методике ТДП, возможно за счёт включения информации о гравитационном поле. При этом появляется возможность одновременно с определением местоположения объекта в ОЗСК выполнять спутниковое нивелирование: определять нормальную высоту и уклонения отвесной линии от нормали к эллипсоиду. В настоящее время спутниковое нивелирование выполняется с использованием моделей квазигеоида [12, 13]. Обладая
серьёзным теоретическим заделом и богатым практическим опытом выполнения работ в области космической геодезии [14, 15, 16], коллектив СГГА разработал теоретически более строгий метод совмещения пространственной геометрической и гравиметрической информации [17, 18, 19]. В будущем, при условии использования в составе аппаратуры потребителя
ГНСС генератора частоты с относительной суточной нестабильностью менее
18
10" , появится теоретическая возможность выполнения спутникового
нивелирования, основанного на зависимости темпа времени в точке установки генератора частоты от потенциала поля силы тяжести [20]. В этом случае определение нормальной высоты не потребует привлечения модели гравитационного поля.
Методика ТДП в настоящее время позволяет определять местоположение объектов в ОЗСК с погрешностями порядка первых сантиметров при обработке суточных сеансов ГНСС"измерений без непосредственной привязки к наземной координатной основе. Перспективными направлениями совершенствования методики ТДП являются:
- повышение точности модели ГНСС-измерений и разработка методик разрешения неоднозначности фазовых измерений для сокращения требуемой продолжительности сеансов измерений и повышения точности определения местоположения объектов в ОЗСК;
- разработка методик спутникового нивелирования на основе точного дифференциального позиционирования.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Определение координат пунктов сети базовых станций Новосибирской области в общеземной системе координат / А.П. Карпик, А.П. Решетов, А.А. Струков, К. А. Карпик //
ГЕ0-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т. 1, ч. 1. - С. 3-8.
2. Антонович К.М., Струков А.А. Сравнение результатов линейных измерений, выполненных спутниковыми и традиционными методами геодезии // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). -Новосибирск. СГГА, 2010. Т.1, ч. 3. - С. 38-42.
3. Струков А. А. Анализ точности определения векторов сверхдлинных базовых линий по результатам GPS-измерений // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 2(15). - С. 30-38.
4. Виноградов А.В., Войтенко А.В., Жигулин А.Ю. Оценка точности метода Precise Point Positioning и возможности его применения при кадастровых работах // Геопрофи. -
2010. - № 2. - С. 27-30.
5. Kouba J., Heroux P. Precise Point Positioning Using IGS Orbit and Clock Products // GPS Solutions. - 2001. - Vol. 5. - №.2, - P.12-28.
6. Kouba J. A Guide to Using International GNSS Service Products [Electronic source] -
2009. - Режим доступа: http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/resource/pubs/UsingIGSProductsVer21.pdf
7. Дударев В.И. Математические модели радиодальномерных траекторных измерений ИСЗ // Вестник СГГА. - 1998. - Вып. 3. - С.46-48.
8. IERS Conventions (2010). - International Earth Rotation and Reference Systems Service.
[Electronic source] - 2010. - Режим доступа:
http://www.iers.org/nn_11216/SharedDocs/Publikationen/EN/IERS/Publications/tn/TechnNote36/t n36,templateId=raw,property=publicationFile.pdf/tn36.pdf
9. Tolman B. W., Harris R. B., et al. The GPS Toolkit - Open Source GPS Software
[Electronic source] // Proceedings of the 17th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. - 2004. - Режим доступа:
http://gpstk.sourceforge.net/papers/ion-gnss-2004/ION-GNSS-2004-paper.pdf
10. Mervart L., Lukes Z., Rocken Ch., Iwabuchi T. Precise Point Positioning with ambiguity
resolution in real-time. [Electronic source] - 2008. - Режим доступа: http://www.ppp-
wizard.net/Articles/PPP_RTK.pdf
11. Collins P., Bisnath S., Lahaye F., Heroux P. Undifferenced GPS Ambiguity Resolution
using the Decoupled Clock Model and Ambiguity Datum Fixing. [Electronic source] - 2005. -Режим доступа: http://www.ppp-
wizard.net/Articles/Collins_Navigation_v57n2_2010_accepted.pdf
12. Елагин А.В. Вычисление высот квазигеоида по коэффициентам глобальной модели гравитационного поля Земли EGM2008 // ГЕ0-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля 2010 г.). - Новосибирск. СГГА, 2010. Т.1, ч.1. -С. 151-153.
13. Гиенко Е.Г., Решетов А.П., Струков А.А. Исследование точности получения нормальных высот и уклонений отвесной линии на территории Новосибирской области с помощью глобальной модели геоида EGM2008 // 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. 181-186.
14. Антонович К.М. Первые GPS/ГЛОНАСС измерения В СГГА // Вестник СГГА. -
2010. - Вып. 2(13). - С. 146-151.
15. Эталонный геодезический полигон СГГА - уникальный объект системы образования РФ / А.П. Карпик, В.А. Середович, К.М. Антонович, Л.Г. Куликова // ГЕО-Сибирь-2010. VI Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля
2010 г.). - Новосибирск. СГГА, 2010. Т. 5, ч. 2. - С. 180-184.
16. Сурнин Ю. В. Теоретическое обоснование методики определения астрономических координат и азимутов точек на физической поверхности Земли по спутниковым и наземным измерениям // Вестник СГГА. - 2005. - Вып. 10. - С. 3-8.
17. Сурнин Ю. В. Определение астрономических, гравиметрических и геодезических трансформант внешнего гравитационного поля на локальном участке земной поверхности // Вестник СГГА. - 2006. - Вып. 11. - С. 3-8.
18. Сурнин Ю. В. О создании активной координатно-гравитационной основы на ограниченном участке земной поверхности с помощью ГЛОНАСС/GPS- измерений // ГЕО-Сибирь-2011. VII Междунар. науч. конгр. : сб. материалов в 6 т. (Новосибирск, 19-29 апреля
2011 г.). - Новосибирск: СГГА, 2011. Т.1, ч.2. - 2011. - С. 198-209.
19. Сурнин Ю.В. История создания и развития межкафедральной научно -исследовательской лаборатории космической геодезии (воспоминания научного руководителя лаборатории) // Вестник СГГА. - 2010. - Вып. 2(13). - С. 128-145.
20. Липатников Л.А. Релятивистский эффект в часах приёмников ГНСС // Вестник СГГА. - 2011. - Вып. 3(16). - С. 45-52.
© Л.А. Липатников, 2012
