Маленький ликбез по точноски

#69987
Аватар
Аноним

Маленький ликбез по точноски GPS — приемников:

1. GPS (глобального позиционирования системы) бывают:

а) бытовые (все автомобильные и охотничьи навигаторы)

б) геодезические (жутко дорогие и используемые в количестве не менее 2 штук)

в) военные (про них я вообще ничего не знаю за исключением слухов, которыми могу поделиться отдельно в комментариях)

2. Исходный пункт — точка координаты которой нам известны.

3. Базовая станция — GPS–приемник стоящий неподвижно во время работы.

4. Определяемый пункт — точка, координаты которой нам нужно определить, либо точка, координаты которой нам известны и нам надо найти ее на местности.

5. Ровер — GPS–приемник, который перемещают по точкам во время работы.

6. Сессия — период одновременного стояния двух и более приемников на разных точках.

7. Эпоха — промежуток времени за которое приемник производит одно вычисление своих координат от нескольких спутников.

8. Результирующий файл — применяется только в геодезических ЖПС содержит протокол сессии. Другими словами: содержит запись большого количества эпох. Иными словами: содержит варианты координат определяемой точки в количестве равном количеству эпох в течение всей сессии.



Итак, как это работает? 

В космосе, на высоте около 40 000 км по пересекающимся орбитам носятся спутники и постоянно посылают на землю несколько видов радиосигналов. Спутники общаются между собой и с наземной службой, поэтому они всегда знают свои координаты в пространстве/времени. Спутник посылает радиосигнал в котором закодированы координаты самого спутника, время отправки сигнала. Когда сигнал доходит до приемника, он фиксирует время приема сигнала и записывает его в результирующий файл вместе с координатами спутника на момент отправки сигнала (в бытовых GPS файл сессии не записывается, за ненадобностью). Скорость сигнала известна, время известно, отсюда получается расстояние. Теперь давайте остановим в нашем воображении момент, когда несколько спутников одновременно отправили сигнал, а результирующее расстояние нам уже известно. Откладывая отрезок от спутника до точки совместного пересечения всех отрезков, найдем таким образом местоположение приемника. Это суть принципа работы спутникового позиционирования, есть масса деталей, которые я решил не освещать. Например проблема синхронизации часов спутников и приемников, естественное смещение орбит спутников и т.п. Если интересно, постараюсь ответить в комментариях.



Теперь, почему же все–таки хромает точность? Дело в том, что проходя расстояние около 40 000 км сигнал встречает на своем пути препятствия в виде возбужденной ионосферы, космических ветров, солнечной активности и прочее. Уже в непосредственной близости от земли сигнал может неоднократно переотражаться от скал, домов, деревьев и тому подобных объектов, что опять таки запутывает приемник, однако это с разной степенью успешности разрешается на программном уровне приемника.



Как достигается миллиметровая точность, для прикладных целей в геодезии? Решение гениальное, потому–что простое. Используется более чем один приемник (чем больше–тем лучше). Выставляются два приемника один на точку, координаты которой известны, другой на ту точку, координаты которой надо определить и оба приемника одновременно проводят измерения некое количество времени, достаточное для уверенного осреднения координат каждой точки (сессия). Затем файлы измерений, которые записывались в приемники заливаются в ПО постообработки, где производится каллибровка совместного измерения по точке с известными координатами. Другими словами: сравнивая координаты известной точки полученные со спутника с исходными мы видим величину ошибки в каждой из трех координатных осей, затем эта величина применяется к полученным координатам определяемой точки.

Недостаток этого метода в том, что необходимо затратить время на обработку информации на компьютере, в реальном времени точные координаты не получить. Для решения этой проблемы существует метод RTK (реал тайм кинематик). При использовании этого метода, приемник с известными координатами (базовый) после каждой процедуры вычисления своих координат (эпоха) производит сравнение их с исходными и вычисляет поправку, пересылает ее второму приемнику (роверу). Ровер в свою очередь получив поправку применяет ее к определяемым координатам и показывает результат пользователю, так происходит каждую эпоху (1–60 сек). 



Таким образом точность возрастает на несколько порядков, но она все–же далека от точности метода с использованием постобработки. Происходит это за счет того, что при постобработке ПО имеет дело с осредненными значениями, а при RTK измерения единичны. Можно применять осреднение и в методе RTK, что и делается, но в этом случае работает принцип — чем дольше стоишь, не дыша, на точке, тем по большему количеству эпох будет сделано осреднение и тем точнее будет результат.



Подытожим:



1. GPS–приемники–это радио+калькулятор. Они понимают где находятся потому, что спутники сообщают им свое местоположение, а приемник, в свою очередь, высчитывает свое местположение через измерение расстояния до каждого спутника (по такому–же принципу работает навигация в телефоне без ЖПС, телефон знает положение каждой вышки и по ее сигналу вычисляет расстояние до нее.

2. Точность в 10–50 метров — не проблема, эта задача легко решается бытовыми приемниками. Исключением является определение высоты над уровнем моря. связано это с тем, что земля это не шар, и даже эллипсоид, а некий избитый ногами арбуз, упавший с высоты около 1 м. Отчего он весь покрыт трещинами, вмятинами. буграми и вывалившимися наружу внутренностями (горные районы).

3. Более высокая точность (1мм–1см) требуется ограниченному количеству профессионалов, однако стоит она очень дорого и емкость этого рынка исчисляется миллионами долларов в год. Уверенную миллиметровую точность позволяет получить метод постобработки (когда обрабатываешь данные на компьютере, после завершения сессии. Уверенную сантиметровую точность позволяет получить метод RTK.

4. Самая востребованная точность для прикладных целей (1см — 1м). Это–около 95% рынка, остальные 5%, для уникальных видов работ типа геодинамических полигонов.



Стоимость геодезического GPS–приемника колеблется от 100т.р. до 400 т.р, и их нужно минимум два.

Чем же отличаются GPS–приемник встроенный в ваш телефон за 10 тыс, от геодезического приемника стоимостью в 200 тыс? 

Самое основное — принимаемая частота. Бытовые приемники работают только с частотой L–1. Этого хватает для для того, чтобы пользователь понял в каком вартале города он находится. Геодезические же приемники работают на частотах L–1 и L–2, в этом случае одна частота подстраховывает другую. В комбинации "минимум два приемника" это позволяет получать точные координаты.

Геодезические системы работающие на частоте L–1 были распространены лет 10–15 тому назад, сейчас их практически невозможно встретить. Их огромным недостатком является то, что сессия должна длиться не менее 2–х часов, для того, чтобы получить требуемую точность. Также они громоздки, и в силу своей моральной старости к ним невозможно достать расходники, такие как аккумуляторы или антенны, например.