CC BY
79
Геодезия
УДК 528.629.783:551.24
ВОССТАНОВЛЕНИЕ ФАЗЫ НЕСУЩЕЙ:
ПРОБЛЕМЫ И ПУТИ РЕШЕНИЯ
Николай Сергеевич Косарев
Сибирская государственная геодезическая академия, 630108, г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, магистрант кафедры инженерной геодезии и информационных систем СГГА, тел. (913)706-91-95, e-mail: [email protected]
В статье поставлена проблема обнаружения, оценки и восстановления фазовых ГНСС-наблюдений. Определены основные задачи для решения данной проблемы. Выполнен обзор основных методов обнаружения, оценки и восстановления фазовых наблюдений. Предложен новый метод восстановления фазы несущей, основанный на использовании элементов орбиты и приближенного положения пункта наблюдений, который обладает существенными преимуществами перед другими методами.
Ключевые слова: пропуски счета циклов, линейные комбинации, фильтр Калмана, комбинации Мельбурна - Вюббена, метод Блюита.
RESTORATION OF CARRIER PHASE:
PROBLEMS AND DECISION WAYS
Nikolay S. Kosarev
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA), 630108, Russia, Novosibirsk, 10 Plakhotnogo Ul., Master, Department of engineering surveying and information systems SSGA, tel. (913)706-91-95, e-mail: [email protected]
The article posed the problem of detection, assessment and recovery phase of GNSS - observations. Key challenges to address this problem. A review of the basic methods of detection, assessment and recovery phase of observation are made. A new method of carrier phase recovery based on the use of orbital elements and the approximate position of observation points, which has significant advantages over other methods are presented.
Key words: omissions accounts cycles, linear combinations, the Kalman filter, a combination of Melbourne - Wubbena, the Blewitt method.
За прошедшие десятилетия отечественные и зарубежные ученые разработали огромное количество методов, решающих различные задачи геодезии, и решили множество проблем, возникающих при выполнении ГНСС-измерений. Но при этом проблема обнаружения, оценки и восстановления фазовых наблюдений до сих пор не решена и остается актуальной, несмотря на непрерывно совершенствующуюся геодезическую аппаратуру и программные пакеты обработки данных радионавигационных систем GPS, ГЛОНАСС, GALILEO и др. [2, 7].
Данная проблема может возникнуть по одной из трех причин. Чаще всего -из-за блокировки сигналов препятствиями: деревьями, зданиями. Вторая причина - низкое отношение «сигнал - шум» из-за ионосферных возмущений,
53
Геодезия
многопутности, малой высоты спутников над горизонтом. Третий источник потерь - неполадки в программном обеспечении приемников [2].
Рассмотрим, как образуется срыв фазы наблюдений. При включении приемника наблюдается дробная часть фазы биений (то есть разность между сигналом, принятым со спутника приемником, и сгенерированным приемником ответным сигналом), и инициализируется счетчик целых циклов. Во время наблюдений при изменении фазы от 0 до 2р (или от 0 до -2p) показания счетчика изменяются соответственно на +1 или -1 цикл. Таким образом, в данную эпоху наблюденная накопленная фаза Dj представляет сумму дробной фазы j 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. Изменение целого числа циклов в наблюдении фазы несущей, вызванного потерей захвата фазы приемником, называется потерей счета циклов. Поэтому в данной проблеме необходимо выделить три основные задачи, которые необходимо решить. Это выявление места в файле, где произошла потеря счета циклов, определение величины скачка и исправление искаженных отсчетов. Потеря счета циклов может быть видна в файле, если пропуск продолжался несколько эпох записи данных, но может оказаться и невидимой, если пропуск происходил между двумя последовательными эпохами.
Решение данных задач идет в двух направлениях. С одной стороны - это совершенствование аппаратной части приемника, с другой - разработка математических методов восстановления пропусков циклов [5].
Совершенствование аппаратной части спутниковых ГНСС-приемников происходит в основном за счет постоянной модернизации принимающих геодезических антенн. Сейчас многие антенны могут «бороться» с многопутностью, существенно уменьшая данный эффект (антенны типа choke-ring). Компанией JAVAD (США) разработано и запатентовано аппаратно-программное решение, которое позволяет выполнять калибровку сигналов ГЛОНАСС в реальном времени в самой принимающей антенне. Благодаря этому на стадии принятия сигналов происходит предварительная обработка полученных ГНСС-измерений и происходит их фильтрация [4].
Компанией Topcon Positioning System (Япония) представлено несколько современных технологий, позволяющих обеспечивать высокую точность измерений в различных режимах измерений. Среди них стоит выделить две технологии: Advanced Multipath Reduction и Co-Op Tracking, которые позволяют производить полевые работы в сложных условиях, таких как съемка в залесенной местности. Благодаря технологии Co-Op tracking, повторный захват спутников практически мгновенен, независимо от периода потери захвата. Если потеря захвата происходит на короткое время (несколько секунд), повторный захват происходит без пропуска цикла сигнала [6].
54
Геодезия
В основе математических методов обнаружения, оценки и восстановления фазовых наблюдений лежит один из трех принципов: применение функции неоднозначности, образование линейных комбинаций, статистические исследования.
Функции неоднозначности широко применялись в 80-е гг. прошлого столетия, когда возможности приемной аппаратуры были ограничены. Основное преимущество данного метода заключается в том, что он вообще не требует восстановления непрерывной фазы, поскольку при этом не осуществляется разрешение целочисленных неоднозначностей.
Решение заключается в следующем: предполагается объем поиска, например, куб, в котором ожидаются координаты мобильной станции (базовая станция принимается фиксированной). Положение и размер куба определяются по теоретическим данным о базовой линии (из решения по псевдодальностям, по тройным разностям или другим способом) и ее погрешностям. Физический объем делится узкой сеткой точек с равными расстояниями. Каждая физическая точка является кандидатом для вычисления функции неоднозначности. Однако достигаемая при этом точность зависит от размера шага исследования объема пространства, а при уменьшении размера исследования резко возрастает объем вычислений [2].
Популярным методом, особенно для обработки кинематических данных, где фильтрация используется на главной стадии обработки, является Калманов-ская фильтрация. Метод основывается на сравнении теоретических данных, выведенных из динамической модели в фильтре Калмана, и измеренных значений. Любые статистически значимые расхождения являются указателями потерь циклов. Однако выбор подходящих параметров фильтра для набора данных требует настройки фильтра и, если выбраны несоответствующие параметры, то метод может выдавать неадекватные результаты, которые потребуют дополнительной проверки. В статье [5] приводятся тестируемые величины для выявления потерь счета циклов, при этом не берется во внимание третья частота L5, а также С/А-код на частоте L2 (L2C).
Третий гражданский сигнал L5 должен передаваться спутниками Блока IIF и Блока III на частоте 1 176,45 Мгц. Сигнал на частоте L5 был специально разработан так, чтобы несколькими способами улучшить его характеристики по сравнению с существующим C/A-кодом на диапазоне L1. Мощность сигнала L5 больше на 6 дБ, чем сигнала L1 (2 154 дБ и 2 160 дБ соответственно). Свободная от данных составляющая нового сигнала также обеспечивает более надежное отслеживание фазы несущей. Ширина диапозона радиопередачи минимум в 20 МГц и более высокая скорость квантования будут обеспечивать большую точность при наличии многопутности. Кроме того, использование кода, более длинного, чем C/A-коды на диапазонах L1 и L2, уменьшит внутренние помехи системы.
В таблице представлены тестируемые величины фильтра Калмана для выявления потери счета циклов, выполненные одним или парой приемников [2].
55
Геодезия
Таблица
Параметры фильтра Калмана для выявления потери счета циклов
Количество приемников Необходимые данные Оцениваемая величина
Один приемник Фазовая псевдодальность на одной частоте Необработанная фазовая псевдодальность
Фазовая псевдодальность на двух частотах Фазовые комбинации
Фазовая и кодовая псевдодальность на одной частоте Комбинация фазовой и кодовой псевдодальности (линейная комбинация, свободная от ионосферы, линейная комбинация, свободная от геометрии, широкополосная и узкополосная комбинация)
Фазовая псевдодальность и интегральный доплер на одной частоте Комбинация фазовой псевдодальности и интегрального доплера
Пара приемников Фазовая псевдодальность на одной частоте Одинарные, двойные, тройные разности фазовых псевдодальностей
Фазовая псевдодальность на двух частотах Комбинация фазовой псевдодальности, свободной от геометрии
Фазовая и кодовая псевдодальность на двух частотах Разность широкополосной фазовой и узкополосной псевдодальности
Другим существенным методом выявления потери счета циклов является образование линейных комбинаций между кодовыми и фазовыми измерениями. При этом точность предложенного метода зависит от качества кодовых псевдодальностей, прежде всего от шума кодовых измерений.
В 1984 г. Б. Ремонди предложил алгоритм тройных разностей, которые нечувствительны к ошибкам часов спутника и приемника и к неизвестной целой неоднозначности, разности исследуются автоматически для определения любых больших величин и, следовательно, любых больших разрывов циклов. Заметим, что влияние разрыва цикла действует локально на конкретной тройной разности (потому что тройные разности представляют вычитание по времени, между эпохами) и, следовательно, сдвиги частоты обычно легко замечаются в их относительных поправках (хотя это невозможно увидеть на одной поправке). Решение ведется методом приближений. Как только решения по МНК сходятся, полученные невязки будут указывать на величину скачков циклов. Затем производятся поиск и исправление соответствующих разрывов. Обычно этот процесс повторяется для разрешения двойных разностей, где и производится окончательное изменение сдвигов частоты. Недостатком тройных разностей является наличие у них повышенного уровня шума [2].
56
Геодезия
В 1985 г. двумя немецкими геодезистами Мельбурном и Вюббена была предложена комбинация кодовых и фазовых наблюдений [11]. Эта комбинация не зависит от геометрии спутникового созвездия, ошибок часов, влияния ионосферы, длины базовой линии
0MW =
fL1
fL1 - fL 2
■ Ф) (t) L1 -
fL 2
fL1 - fL 2
■ Ф) (t)L 2 -
fL1
fL1 - fL 2
■ P) (t)L1 +
+
fL1
fL1 - fL2
■ P)(t)L 2,
(1)
где Фмж - линейная комбинация Мельбурна - Вюббена;
plj(t)L1,Ф)(t)l2- фазовые наблюдения в момент t со спутника i в приемнике j в диапазонах L1 и L2, соответственно (в линейной мере);
P) (t)l1 , Plj(t)l2 - P-кодовые наблюдения в момент t со спутника i в приемнике j в диапазонах L1 и L2 (в линейной мере);
fL1, fL2 - частота радиосигнала в диапазонах L1 и L2.
Такие же комбинации можно составить и для P-кодовых и фазовых наблюдений в диапазонах L1/L5 и L2/L5. Как и в методе тройных разностей, основной недостаток - повышенный уровень шума.
В 1990 г. Д. Блюитом была разработана методика, схожая с уже рассмотренной комбинацией Мельбурна - Вюббена, которая предназначена для разрешения фазовых неоднозначностей при решении базовых линий длиной более 2 000 км [8]:
^L ■ (fL1 ■ Ф) (t)L1 - fL2 ■ Ф) (t)L2), (2)
fL1 - fL2
где €Wl - широкополосная линейная комбинация;
Ф) (t)L1, Ф) (t)l2- фазовые наблюдения в момент t со спутника i на приемнике j в диапазонах L1 и L2, соответственно (в линейной мере).
Такую же широкополосную линейную комбинацию можно составить и для P-кодовых псевдодальностей.
Во всех вышеперечисленных методах используются двухчастотные наблюдения на паре приемников.
В 1985 г. К. Гоадом [9] был разработан метод восстановления фазы несущей при использовании двухчастотного приемника на одной точке. Технология основана на следующих соотношениях:
Ф)(t)L2 - Ф)(t)L1 ■ fL2/fL1. (3)
57
Геодезия
Линейная комбинация d представляется как
d - фj (t)li - Ф) (t)L2 • fn / fL2 ,
(4)
что затем дает:
d - Nj (t)L1 - fLl / fn2 • Nj (t)L2 + I / fL1 • (1 - fL12 / fn22),
2
2
(5)
где Fj(t)L1, Ф) (t)l2- фазовые наблюдения в момент t со спутника i в приемнике j в диапазонах L1 и L2, соответственно (в линейной мере);
fL1, fL2 - частота радиосигнала в диапазонах L1 и L2;
N^^' (t)L1, Nj (t)L2- целочисленная неоднозначность для комбинации «спутник - приемник» i, j на диапазонах L1 и L2;
I - ионосферное влияние.
В 2003 г. А. Жалило [10] разработал алгоритм обнаружения, оценки и восстановления фазовых наблюдений для активных базовых сетей Украины. Алгоритм основывается на использовании различных линейных комбинаций как одним приемником, так и парой приемников с последующей отбраковкой некорректных данных.
Все вышеперечисленные методы обнаружения, оценки и восстановления фазовых наблюдений обладают рядом недостатков:
- обладают повышенным уровнем шума, так как основаны на сравнении кодовых и фазовых данных;
- требуют дополнительной фильтрации полученных линейных комбинаций;
- зависимы от данных, которые поступают в виде исходной информации (кодовые и фазовые псевдодальности, а также интегральный доплер).
Положительные результаты описаны в работе [3], где предложен альтернативный метод контроля наблюдений непрерывной фазы несущей, основанный на использовании эфемерид (бортовых или точных) и приближенного положения пункта наблюдений. В этом методе вычисляемое изменение в фазовых псевдодальностях не зависит от шума входных данных (кодовых и фазовых псевдодальностей), однако полностью зависит от качества часов приемника.
1. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. Т. 1. - М.: Картгеоцентр, 2005. - 334 с.
2. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии. - М.: Картгеоцентр, 2006. - 360 с.
3. Антонович К.М., Косарев Н.С. О возможности контроля непрерывной фазы несущей при ГНСС наблюдениях // ГЕО-Сибирь-2011. Т. 1. Ч. 2: Геодезия, картография, маркшейдерия: сб. матер. VII Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2011», 19-29 апреля 2011 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2011. - С. 164-168.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
58
Геодезия
4. Ашджай Д. TRIUMPH V. S. - новая страница в истории оборудования ГНСС // Геопрофи 2010, № 6. - С. 20-25.
5. Горохова Т.И. Обзор современных методов выявления и восстановления потерь счета циклов при обработке фазовых ГНСС измерений // ГЕО-Сибирь-2008. Т. 1. Ч. 1: Геодезия, картография, маркшейдерия: сб. матер. IV Междунар. науч. конгресса «ГЕО-Сибирь-2008», 22-24 апреля 2008 г., Новосибирск. - Новосибирск: СГГА, 2008. - С. 251-254.
6. Информация о приемнике Topcon GB500 [Электронный ресурс]. - Режим доступа: http://www.prin.ru/ equipment / equipment / gps / geodetic_class_topcon / archive / topcon-gb500-gb100 /.
7. Bisnach S.B., Kim Donghyun, Langley R.B. A new approach to an old problem Carrier-Phase cycle Slips // GPS World. - 2001. - Vol. 12, No. 5. - P. 46-51. - Англ.
8. Carrier Phase Ambiguity Resolution for the Global Positioning System Applied to Geodetic Baselines up to 2000 km / G. Blewitt, W. G. Melbourne, W. I. Bertiger et al. // Journal of Geophysical Research. - 1989. - Vol. 94, No. B8. - P. 10187-10203. - Англ.
9. Goad C., Yang M. On Automatic Precision Airborne GPS Positioning // Proceedings of the International Symposium on Kinematic Systems in Geodesy, Geomatics and Navigation KIS’94. Banff, Alberta, Canada. August 30-September 2, 1994. - P. 131-138. - Англ.
10. Zhalilo A.A. Carrier-Phase cycle - slip detection and repair of dual-frequency GPS data -new technique using correlation filtering principle // Proceedings of the 10th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation System. - St. Petersburg, Russia, 26-28 May, 2003.
11. Melbourne W. G. The Case for Ranging in GPS Based Geodetic Systems, in Proceedings //1st International Symposium on Precise Positioning with the Global Positioning System, edited by Clyde Goad. - 1985. - P. 373-386. - Англ.
Получено 17.02.2012
© Н.С. Косарев, 2012
59
