Глобалните навигационни спътникови системи за определяне на местоположение и тяхното използване за планиране на терени в селското стопанство

В системите GPS и ГЛОНАСС се прилага световното координирано атомно време UTC (Universal Time Coordinated), което се измерва от атомни часовници, но координирани с реалното астрономическо време. Скалата на атомните часовници е равномерна, докато реалното астрономическо време, установено от Международната служба за движение на Земята, не е толкова равномерно, колкото атомното, и за няколко години тази разлика достига една секунда. Атомното време се задава от конкретен атомен еталон. Тази скала е съвършенно равномерна. В нея единица за време е атомната секунда – промеждутък от време за което се извършват определен брой колебания на атомите на цезиевия генератор, числено равни на неговата честота в херца. Освен цезиев, в качеството на стандарти за честота се използват рубидиеви и водородни генератори, които играят ролята на много прецизни часовници, като най-точен е водородният генератор, при който е възможно отклонение от 0,4 секунди за милион години. Цезиевият генератор дава грешка в часовника от 0,01 секунда за 1000 години, а за същият период рубидиевият генератор е с грешка от 0,15 секунди [46].

Съществува Международно атомно време, означавано с абревиатурата TAI. То е установено на основата на показателите на атомни часовници в различни метрологични институции, на основата на приетото определение за атомна секунда.

За GPS е приета особена атомна времева скала означена като GPST. Времето GPST е въведено в полунощ на 5 срещу 6 януари 1980 година, като то е с 19 секунди по-кратко от еталона на TAI, което е равно на времето по UTC+1 секунда. периодична корекция, за да съвпадне с астрономическото универсално време, за което се приема времето отчетено на Гринуичкия меридиан, което се променя с разликите в географската дължина на определено място, като заради тази разлика, времето в определена точка се нарича местно време. Това световно време е в основата на няколко астрономически скали и се обозначава с UT (Universal Time). Така за GPSТ = UTC – 19 секунди + 1 секунда след корекция [21].

Времето GPSТ тече непрекъснато – то не се подлага на корекции като, например, UTC и различието между скалите на UTC и GPSТ не е постоянно, а се изменя, заради корекциите на UTC.

Теоретично, всички елементи на спътниковата система трябва да функционират с едно и също време. Но на практика това е нереално, тъй като за това трябва във всяка подсистема да се използват еднотипни много точни еталони за време и честоти. Такива еталони са монтирани на борда на космическите спътници и на централната наземна станция за наблюдение и контрол, но не е възможно да ги има във всеки потребителски приемник и в приемниците се поставят обикновени кварцови генератори.

В геодезическия клас приемници се използват вакуумирани кварцови генератори. Заради нееднаквата точност на часовниците се различават бордова времева скала (на спътника) и потребителска времева скала (на приемника). Те се коригират към системната времева скала посредством отчитането на специално определени поправки. Поправките на спътниковите часовници, получени като резултат в контролните станции за наблюдение се зареждат в бордовите компютри на спътниците, откъдето се предават на приемниците, а поправките на часовниците на приемниците се определят като неизвестен параметър от резултатите на наблюденията, който се изчислява при постобработката на данните за псевдоразстоянията.

1.6. Кодови и фазови измервания

В работен режим измерването на времето от спътника до приемника с кодов способ се осъществява чрез съпоставяне на кодовете от получения сигнал и тяхното копие, генерирано от приемника, с което се отчита времевото закъснение т.е. пътя на сигнала от спътника до приемника за определен период от време.

Кодовият способ не осигурява висока точност, поради което геодезическите приемници работят основно по фазата на носещата честота, но се използва и кодовата информация на сигнала при обработката на фазовите измервания. Измерването на времето по фазата на носещите честоти L1 и L2 е основано на това, че фазата на електромагнитното колебание на стандартна честота представлява функция на времето. Кодовата информация от сигнала при обработката на фазовите измервания е насочена към решаване на нееднозначността по отношение на времето.

Високата точност на фазовите измервания е резултат от стабилността на носещите честоти, като отклоненията при измерването на фазата са много малки. Установено е, че в линейни мерни единици за L1 отклонението е 0,53 мм и 0,67 мм на L2 [53]. Даже при наличие на отклонение от други източници точността при определянето на координатите по фазата на носещата честота остава в границите на няколко милиметра.

При измервания с приемници от геодезически клас е необходим опорен сигнал със стабилни носещи честоти, идентични на L1 и L2. Затова геодезическите приемници имат точни генератори на опорни сигнали, с много малка честотна грешка. Обработката на измерванията е етап от цялостната работа, който започва след приключването на измерванията. В резултат с координатите от измерванията могат да бъдат създадени геодезически мрежи, цифрова карта, географска информационна система. В GPS обработката на данните е компютъризирана. При обработката на измервания с GPS се използва параметричен метод. При този подход е необходимо да се състави уравнение, свързващо измерваните величини с определени параметри, които се изразяват под формата на координати, като за определяне на местоположението се използва способа на най-малките квадрати. Такъв способ за изчисление използва приемникът при наличието на четири и повече спътници, с които да работи, като за по-висока точност се постига елиминитането на повече точки с нереални координати.

При постобработката се решава многозначността на фазовите измервания и се изчисляват компонентите на вектора, съединяващ точките, на които има разположени приемници. Постобработката се извършва от оператора на работното му място в офиса, като целта е да се установи дали задачите са изпълнени съобразно заплануваната за деня дейност. Необработените данни от паметта на приемника се записват в текстов файл на компютър. Тези данни могат да бъдат обработвани с офис програмите, с които е снабден комплектът на геодезическият клас приемници. Могат да се отстраняват грешки в изходната информация като: височината на антената, името на файла, идентификаторът на точката. При работа с данните може да се установи доколко едни изходни данни съвпадат като резултат с резултатите от по-рано направени измервания, каква е разликата между тях и каква е формата на обекта, създаден след определянето и очертаването на границите му.

В геодезическия приемник се измерват мигновените фазови разлики на спътниковия сигнал. Спътниковият сигнал е модулиран по фазата със сложен псевдошумов код.За да се извършат фазови измервания е необходимо да се изчисти кодовата модулация. Това става като сигналът се умножава по самия себе си и в резултат се получава сигнал, честотата на когото е равна на удвоената носеща честота на спътниковия сигнал. Това колебание се усилва и на него се извършват фазовите измервания без да се игнорира кодовата информация, която се използва за получаване на навигационните координати на точките или за приемане на навигационното съобщение.

При постобработката на спътниковите данни основно погледът на специалиста е насочен към решаването на многозначността при измерванията. Геодезическият приемник не само измерва разликата във фазите, но и непрекъснато регистрира резултатите от това измерване. Тази процедура е известна като отчитане на целите фазови цикли.

Възможността за разрешаване на този проблем при проектни и строително-ремонтни работи за геодезистите се открива в използването на няколко приемника (минимум два). Всеки приемник едновременно приема и регистрира сигнали от няколко спътника. На етапа на постобработката с офис програмите от комплекта на приемниците се формира разликата в стойностите на фазовите измервания от всеки спътник във всеки един приемник. Възможно е от няколко спътника в един приемник да се отчетат данни за разлики във фазите или да се получат разлики в данните за фазите от един спътник в два приемника. При това е възможно да се изключат колебанията в началната фаза на спътника или на приемника. За да се изключат колебанията и в двете начални фази е необходимо операторът да избере от данните на резултатите, получени от едновременните наблюдения на два спътника от двата приемника. При този вариант за формиране на разликите при фазовите измервания от системата не се измерват разстояния, а разлики във фазите на носещия сигнал. С изключването на колебанията в началната фаза на спътника и приемника, теоретично, дължината на вълната се явява цяло число и при обработката на данните за дължината на вълната те се закръглят до цяло число и се получава краен резултат. За това е необходимо да се определят целите числа No в началния момент на наблюдение за всяка двойка спътници и за всяка двойка приемници. В началния момент от време t1 се формират разликите, като непрекъснатата обработка на данните продължава до момента t2. С тази обработка се изключват параметрите No за многозначността. За да се постигне крайния резултат с офисния продукт за постобработка се определят разликите в данните за фазата по метода „спътник-спътник“, при който данните от два спътника в един приемник отчитат фазови разлики и при „приемник-приемник“, където данните от един спътник отчитат фазови разлики в два приемника и се определя числовия параметър на многозначността за всяка двойка спътници и за всяка двойка приемници на наблюдателните точки, след което се определят и избират резултатите от едновременното наблюдение на два спътника от два приемника, като тези разлики се обработват за момента от време t1, при който се формират разликите до момента t2. В тези разлики се изключва параметъра за многозначност от предишната степен на обработката на резултатите и проблемът за многозначността на сигналите отпада, но се влошава геометрията на наблюденията, като се получава грешка на базовото разположение на техниката от 1-3 метра, поради което с помощта на програмния продукт най-близкото местоположение на базата се получава от кодовите и доплеровите измервания.

Изключването на многозначноста на спътниковия сигнал по програмен път се постига при работата със специализирания софтуер, като се използва ефемеридната спътникова информация и координатите на базата и се изчисляват параметрите на многозначността на сигнала за No. Полученият резултат на параметрите съдържа грешки и не е цяло число, както е прието да бъде. Закръглянето на параметрите на многозначността на сигнала до най-близките цели числа дава необходимите параметри на No, които не са нито истински, нито вероятни-такива вероятни параметри се получават впоследствие.

С целочислените параметри на многозначността на сигнала се изчисляват нови координати на базата, като се търси постигане на съответствие между параметрите на многозначността на сигнала и векторните координати на базата.

Програмно параметрите на многозначността се увеличават или намаляват, като всеки път се дават нови и различни координати на наземното местоположение на приемника – т.нар. база. Комбинациите от възможни решения са изключително много. Едновременно с това на основата на статистически анализ програмно се оценява вероятността V за правдоподобност на всяко от получените решения, като те се подреждат според процента на вероятност, като на най-вероятния резултат се присвоява стойност V1, следва V2 и т.н. В края на процедурата се изчислява отношението – ratio = V1/V2. По този начин може да се прецени доколко е голяма правдоподобността на първото решение в сравнение с вероятността на правдоподобност на второто решение. Ако ratio е близко до единица и решенията са примерно равновероятни многозначността не е разрешена и наблюденията трябва да продължат по-дълго време при по-добри условия. При благоприятни условия за наблюдение се случва резулратът ratio да е близко до стотна и в този случай операторът може да отчете като успешно спътниковото наблюдение от базата.

Фазовите наблюдения се извършват за повишаване на точността на измерванията, при което възниква проблемът за целочислената фазова нееднозначност, поради липсата на информация, тъй като непосредствено може да се измери само дробна част от фазовото закъснение на сигнала[53]. За решението на този проблем се използват няколко метода:

• класически двуетапен метод на измервания, при който на първият етап се събират измервания с голямо количество различни стойности, а на вторият етап от обработката се извършва статистически анализ на получените данни и определяне на най-вероятното значение на фазовата нееднозначност;

• модификация на класическия метод, която се отличава с това, че при обработката на резултатите от измерванията се осъществява многоетапна Калманова филтрация (линеен филтър, чиято спектрална характеристика на комбинацията от сигнал и шум, трябва да осигури най-доброто им разделение, т.е. с най-малка средна квадратна грешка) и се избира група с филтри на Калман с оптимални свойства, т.е. компютърен алгоритъм за процедиране с дискретни измервания (като входни данни) в оптимални оценки (като изходни данни). Целта на всеки един филтър е да отдели дадена величина от друга, като най - често това се отнася до сигнали със специфичен обхват на честота и не се отнася за сигналите извън дадения обхват.

• метод на замяната на антените, който се осъществява от два различни приемника, на две точки, в две различни епохи (периода). При измерванията във втората епоха се извършва размяна на антените на приемниците;

• метод за определяне на нееднозначноста „в движение“, при който за определяне на цялото число на периодите се използват линейни комбинации от сигналите L1 и L2 (сбор и разлики).

При фазовите измервания на носещата честота се измерва не времето за разпространение на сигнала от спътника до приемника, а преместването на фазовите колебания на носещата честота излъчвана от спътника за време. Измерваният интервал на движение на фазите за съответното време от излъчването от спътника до приемането на сигнала в приемника е в основата на проблема определен като разрешаване на нееднозначността, който възниква в наземните фазови приемници. Измерваното преместване на фазата в приемника се реализира като разлика във фазите на сигналите, приемани от спътника и опорния сигнал, генериран в приемника. Възможно е за фиксиран момент от време да се измери дробна част от фазовото преместване на сигнала, но за да се определи разстоянието, е необходимо да се изчисли пълното фазово отместване, за което се използват математически формули изчислявани по програмен път. При измерването на фазата и скоростта на изменението й се измерва и доплеровата честота, която е пропорционална на скоростта на изменение на фазата. Доплеровият режим на измерване т.е. доплеровият интегрален режим на измерване дава важна информация за местоположението и скоростта на спътника, защото позволява да се получат разликите в разстоянието от една точка до две други (изходни) точки. При спътникови измервания ролята на изходни точки изпълняват спътниците.

Измерванията на Доплеровото изместване на сигнал, генериран от стабилен осцилатор на борда на спътниците от системата, могат да се използват за релативно определяне на положение (координати) със забележителна точност – 0.1 – 0.5 м релативно и около 1 м абсолютно (геоцентрично). Доплеровата техника на наблюдение е независима от метеорологичните условия. Спътниковите GPS системи от първо поколение са част от т.нар. Доплеров период в развитието на GNSS.

1.7. Източници на грешки

Задачата за определянето на координатите на обект, при която се изключва влиянието на интерференцията и многозначността на сигналите е само част от много сложен процес, при който върху сигнала съществува влияние на йоносферата и тропосверата, където скоростта се забавя при преминаването на радиовълните.

Спътниковият сигнал може да се коригира с помощта на наземни станции и сателитни системи WAAS, EGNOS и безжични технологии, Wi-Fi и GSM, които предават диференциални поправки от перманентни мрежи от референтни станции в стандартен международен формат за всички потребители, които имат необходимост от тях, като за тези данни се заплаща или при определени условия се предоставят безплатно.

През 2000 г. Конгресът на САЩ гласува отпускане на средства за усъвършенстване на системата GPS и модернизацията на GPS сигналите. чрез внедряване на три нови сигнали, предназначени за гражданска употреба: L2C, L5 и L1C. Проектът включва нови наземни станции и нови спътници, които осигуряват предаването на сигналите за граждански и военни потребители, и имат за цел подобряване на точността при работа със системите за всички потребители.

Съществуват няколко източника на грешки при измерванията и източници на грешки в параметрите, които са от значение при различни теренни работи. Прието е да се разглеждат като: грешки в изходните данни т.е. в координатите на спътника, свързани с неточността на ефемеридите на спътниците в момента на измерване; източници на грешки, предизвикани от работата на апаратурата, поради незнание на фазовия център на антената на приемника и неотчитане на задържането на сигнала в апаратурата; на грешки, свързани с влияние на външната среда, обусловени от задръжката на сигнала в атмосферата, рефракционно удължаване на траекторията на радиолъча, както и отражението на радиовълните от земната повърхност и околните обекти. Последният от изброените фактори се определя като многолъчевост или многопътност [44].

Към апаратните източници на грешки се отнасят факторите, определящи разрешаващата способност на апаратурата. Такава грешка се наблюдава при работата на два приемника, които определят векторa на базата в някакви идеални условия при продължителна сесия на наблюдение. В такива „идеални“ условия около приемниците няма препятствия, а PDOP е близко до единица. При „идеалната“ продължителност на сесията и цикълa на събиране на информация времетраенето е такова, че по-продължителните наблюдения не повишават точността на измерванията. В този случай се има в предвид вътрешната, апаратната точност, осигурена от качеството на апаратурата и нивото на програмното оборудване. Aпаратурата автоматично определя вектора, свързващ фазовите центрове на антените на спътниковите приемници, като за фазов център се определя областта, в която антената „събира“ сигналите от всички видими на хоризонта спътници. Използването на въведената в приемника височина на антената от оператора дава възможност освен определянето на вектора до фазовите центрове да се определят и точките на разположение на приемниците. В практиката при измерванията всички антени се ориентират еднообразно. На антената има стрелка, която при поставянето на уреда на точката се ориентира на север, а при регулирането на положението се използва оптически отвес. Височината на антената се измерва с рулетка и се поставя на специален метален разграфен щок.

На процеса на центриране и нивелиране на антената, измерването на нейната височина и въвеждането на това значение в паметта на приемника се отделя особено внимание. Въпреки, че спътниковият сигнал е на свръхвисоки честоти, неговият сигнал се отразява от някои повърхности. Отразеният сигнал попада на антената както и прекият сигнал от спътника. Дължината на пътя на отразения сигнал е по-голяма от дължината на пътя на прекия сигнал. За да се изключат отразените от земята радиовълни се използва groundplane – това е метален диск с диаметър около 0,5 метра със стрелка, която трябва да бъде ориентирана на север [53]. Такава антена трудно се използва в работен процес във време на движение.

Отразените сигнали могат да бъдат разделени на два класа: статични и динамични. За стационарен приемник, геометрията на предаване се променя бавно докато спътникът се движи в небето, което прави параметрите на отразените сигнали по същество константни за няколко минути, но при кинематични приложения може да има бързи колебания за части от секундата.

Граундплейн не елиминира сигналите отразени от близко разположени препятствия. Препятствията нарушават геометрията на наблюденията, като закриват част от небосклона, но и създават условия за интерференция. При работа в такива условия като възможност за подобряване на резултатите се използва увеличаване на времето за наблюдение от точка. Смисълът на това е заложен в цикличността на влиянието на многопътността на сигнала с течение на времето и при достатъчно дълга сесия на наблюдение се изключва или отслабва [53].

Грешките в координатите на спътника като изходен пункт направо влизат в грешките на координатите на приемника, поради което, ако точността на ефемеридите е такава, че геоцентричните координати на спътника се получават с грешка от няколко метра, то и навигационните (абсолютни) координати на приемника е невъзможно да се получат с по-малка грешка.

По друг начин изглеждат нещата с определянето на разликите в координатите на точките, разстоянието до киото е много по-малко от разстоянието до спътника. Този източник на грешки влияе на разликите в координатите на точките много по-слабо, отколкото на координатите на самите точки. Грешката при определяне на вектора на базата е толкова пъти по-малка от грешката при определяне на координатите на спътника, колкото пъти дължината на вектора на базата е по-малка от височината до орбитата на спътника над повърхността на Земята. При височина от 20 000 километра и база с дължина 20 километра, грешката определена по вектора на тази база ще бъде в рамките на една хилядна от грешката при определянето на спътниковите координати. При грешка от 10 метра в спътниковите координати, грешката в базовия вектор е един сантиметър. Ако потребителят има нужда от по-голяма точност, той ще трябва да използва точни ефемериди.

Тази особеност, при която разликите между координатите на точките се получават много по-точно, отколкото координатите на самите точки, се използва в геодезията и в навигацията, когато апаратурата определя кодовите псевдоразстояния и са важни плановите координати на движещ се обект, най-често кораб. На брега се създава диференциална станция, която е точка с известни координати. На нея се монтира непрекъснато работещ с Р-код спътников приемник, а също така и предаватели транслиращи диференциалните поправки. Има комплекс от оборудване, с което се гарантира непрекъснатостта на работата, за да се избегнат неблагоприятни, дори катастрофални последствия от временното спиране на работата на диференциалната станция. На диференциалната станция непрекъснато се изчисляват координатите на тази станция получени при наблюдението на спътниците. Те се различават от установените точно известни координати на станцията вследствие от грешките при измерванията под влияние на външната среда и грешките в ефемеридите на спътниците.

На следващата стъпка от изчисленията се получава разликата от непрекъснато получаваните и твърдите известни координати на диференциалната станция. Тези изчисления са част от диференциалните поправки, получавани от апаратурата на потребителя, оборудвана с необходимите приемни устройства. Потребителят на разстояние от няколко десетки километри също непрекъснато определя своите „спътникови“ координати и въвеждането на диференциалните поправки на данните направо в приемника в процеса на работа позволява да се намали грешката в определянето на местоположението от ниво от няколко метра до ниво няколко дециметра. Този режим на работа на потребителската апаратура се нарича диференциален и най-често се използва в геодезическите теренни работи със спътникова апаратура, като се използва мрежата на GSM и безжичното предаване на приемника на диференциални поправки.

Влиянието на външната среда т.е. на йоносферата и тропосферата е най-значителният източник на грешки. Йоносферата е йонизиран атмосферен слой във височина 100-300 км над повърхността на Земята, който съдържа свободни електрони и йони. Под въздействието на радиовълните заредените частици преминават в принудително колебателно движение, като пътят и скоростта на вълните се променя. Най-голямо влияние за това оказват електроните. Наличието им предизвиква закъснение на сигнала от спътника и води до грешка. За компенсация на възникналата грешка при определянето на псевдоразстоянието се използва методът на двучестотните измервания на честоти L1 и L2.

Линейните комбинации на двучестотните измервания не съдържат йоносферни грешки. Освн това за частична компенсация на тази грешка се използва математически модел за корекция, при който аналитично се установяват вероятните параметри на йоносферната грешка в дадено време и на дадено място с помощтта на съдържащата се в навигационното съобщение информация. В измерванията, извършени с едночестотен приемник се внасят поправки за измененията в йоносферата.

Тропосферата е най-ниският слой на атмосферата (на височина до 10-16 км). Тропосферното забавяне на сигнала от спътника зависи от метеорологични параметри като: атмосферно налягане, температура, влажност, а също така и от височината на спътника над хоризонта. Тропосферната грешка се снижава чрез въвеждането на съответните поправки, които се пресмятат на основата на изграден модел на тропосферата. Тропосферната поправка се предава от станциите за наблюдение и контрол на всеки два часа.

При спътникови измервания сигналното трасе е под наклон и преминава през всички слоеве на земната атмосфера. Отчитането на това влияние се свежда до определянето на забавянето на сигнала. В GPS се използва моделът на Хопфилд, при който емпирично са установени съотношения между показатели на пречупване на височина h и y от земната повърхност и чрез сложни математически пресмятания се извежда тропосферната задръжка на определена височина. Друг модел за изчисление, който се използва в GNSS е моделът, създаден от Юко Саастамойнен, при който се използват наземни оперативни метеорологични данни в мястото на разположение на приемника и идеален модел на атмосферата, в която водните пари се разглеждат като идеален газ, който се намира в тропосферата, но в тези изчисления не се вземат в предвид спътникови данни за вертикалния профил на тропосферата.