Аппаратура пользователя и режимы наблюдений

Общие сведения. Существует уже очень много типов аппаратуры пользователя, различающихся по своему назначению, возможностям и техническим характеристикам. От миниатюрного приемника (со встроенным источником питания), умещающегося на ладони, до комплекта высокоточной аппаратуры, состоящей из нескольких блоков - таков арсенал современных приемных систем. Надо, однако, заметить, что сейчас и высокоточная аппаратура стала весьма компактной. Комплект аппаратуры для геодезических целей включает в себя антенну, приемник со специализированным компьютером (контроллером), аккумуляторные батареи, блок питания для зарядки аккумуляторов и работы от сети и вспомогательное оборудование (штатив и вешку для установки антенны, рулетку для измерения высоты антенны, упаковочные приспособления и проч.). Современные приемники - многоканальные; каждый канал отслеживает свой спутник. Число каналов может быть от 4 до 12 и более. По видам принимаемых и обрабатываемых сигналов приемники подразделяются на:

кодовые, могущие работать только с дальномерными кодами;

кодово-фазовые одночастотные, использующие дальномерные коды и фазовые измерения только на частоте L1;

кодово-фазовые двухчастотные, использующие дальномерные коды и фазовые измерения на частотах L1 и L2.

Наибольшую точность обеспечивают двухчастотные приемники (ошибка измерений составляет сантиметры и даже миллиметры). Однако и с одночастотными приемниками, благодаря применению относительного метода измерений и совершенной методики обработки, можно получить почти столь же высокую точность.

Для работы с GPS в России получили наибольшее распространение приемники фирм Trimble Navigation, Ashtech, Magellan (США), Leica (Швейцария), Sercel (Франция), Geotronics АВ (Швеция). Все эти фирмы выпускают множество модификаций приемников для самых различных применений - определения координат пунктов, построения сетей, топографической съемки, кадастровых работ. В России при участии фирмы Ashtech разработан 12-канальный одночастотный приемник “Землемер”.

Отдельное перспективное направление - разработка “двухсистемных” приемников, в которых половина каналов принимает сигналы от спутников GPS, а вторая половина - от спутников ГЛОНАСС. Наиболее совершенными приемниками такого рода являются 24-канальный приемник GG 24 фирмы Ashtech, 18-канальный приемник Z-18 этой же фирмы и 18-канальный приемник Trimble 4000 SGL фирмы Trimble Navigation.

Еще одно направление - создание интегрированных систем, одной из составных частей которых является спутниковый приемник. Так, шведская фирма Spectra Precision (созданная на основе объединения четырех компаний из Швеции, США и Германии), выпустила модульную геодезическую систему Geodimeter Integrated Surveying System, объединяющую электронный тахеометр, спутниковый приемник и мощный полевой пен-компьютер (компьютер, в котором клавиатуру заменяет “световое перо”, позволяющее рисовать и чертить от руки прямо на экране).

Функции приемника. Кодово-фазовый приемник выполняет множество функций и операций, из которых мы перечислим здесь лишь самые основные:

генерирование местных эталонных колебаний, несущих частот и дальномерных кодов;

поиск, захват, усиление и разделение сигналов от разных спутников;

регистрация сигналов;

фильтрация сигналов для ослабления помех;

демодуляция сигналов для выделения меток времени, кодовых посылок, навигационного сообщения и несущих колебаний;

слежение за частотой, фазой, кодовыми сигналами, измерение времени и разности фаз при кодовых и фазовых измерениях.

При включении питания в приемнике устанавливается стартовое меню, предлагающее пользователю выбрать желаемый режим измерений. В памяти приемника обычно хранится альманах (если его нет, то включается режим сбора данных альманаха, передаваемых в составе навигационных сообщений каждые 12,5 минут). При поступлении сигнала от спутника и наличии альманаха производится идентификация спутника, и приемник начинает осуществлять захват сигнала. Захват сигнала - это вхождение в синхронизм по фазе псевдослучайного кода, т.е. совпадение местной ПСП с поступающей от спутника (см. раздел “Кодовые измерения”). В дальнейшем приемник поддерживает режим отслеживания захваченных сигналов и позволяет периодически брать отсчеты, фиксирующие вычисленные псевдодальности и точное время.

Приемник обладает системой автоматизированного управления. Она позволяет обрабатывать поток получаемой информации, производить вычислительные операции, показывать на дисплее интересующие оператора данные, выполнять самодиагностику работы приемника и пр. Все это возможно благодаря соответствующему программному обеспечению, которое играет исключительно важную роль в любом спутниковом приемнике.

Режимы (способы) наблюдений. Прежде всего их можно подразделить на абсолютные и относительные, о чем уже говорилось в разделе 4. Напомним, что при абсолютных способах определяются координаты пунктов, а при относительных - приращения (разности) координат или вектор базы между двумя пунктами. Абсолютные способы делятся на автономные (когда измерения производятся одним приемником) и дифференциальные (с использованием базовой станции, передающей на “рабочий” приемник дифференциальные поправки, см. раздел 6). При абсолютных способах выполняются кодовые измерения, при относительных - фазовые (кодовые в этом случае выполняются как вспомогательные для нахождения приближенных значений координат и разрешения неоднозначности).

Относительные методы являются наиболее точными и применяются для геодезических (не навигационных) целей. Существует несколько геодезических режимов наблюдений, но все они делятся на две группы: статические и кинематические. Как в статических, так и в кинематических режимах один из приемников находится на твердом пункте, а другой - на определяемом, но в статике оба приемника неподвижны, а в кинематике “определяющийся” приемник перемещается (непрерывно или с остановками).

Статика. Статический режим - наиболее точный и требующий наибольших затрат времени. Он используется для создания точных и высокоточных опорных геодезических сетей. Время измерения на пункте лежит в пределах от полутора до нескольких часов (опыт показывает, что для достижения хороших результатов необходимо не менее 1,5 часов). Точность статики увеличивается с увеличением времени измерений. Большая длительность измерений требуется для того, чтобы иметь уверенность в разрешении неоднозначности и получить результат на уровне точности от одного сантиметра до нескольких миллиметров. При этом некоторое дополнительное время (сейчас - менее получаса) тратится на обработку измерений по каждому пункту в камеральных условиях (после наблюдений) - постобработку.

Быстрая статика - статический режим, при котором наблюдатель имеет возможность сократить время наблюдений на пункте до 10-15 минут “по рекомендации приемника”, который сообщает оператору, что за это время набрано необходимое количество информации. Платой за экономию времени является риск столкнуться с трудностями разрешения многозначности на этапе постобработки вплоть до необходимости повторения наблюдений на данной базе.

Кинематика. Классическим вариантом кинематического режима является режим “stop and go” (“стой и иди”), при котором движущийся приемник, называемый роверным (rover - “скиталец”) перемещают с пункта на пункт, делая на этих пунктах короткие остановки. Однако для того, чтобы “запустить” такой режим, необходимо начать работу со статического варианта, выполнив инициализацию - наблюдения длительностью час-полтора для определения вектора базы и разрешения неоднозначности. При этом референцный (неподвижный) приемник устанавливают на твердом пункте, а роверный - на первом из определяемых пунктов (эти пункты и образуют базу). После выполнения инициализации оператор роверного приемника переключает его в режим движения и начинает движение к следующему пункту. При этом двигаться нужно так, чтобы на антенну все время приходили сигналы не менее чем от четырех спутников. Это легко на открытой местности, но могут возникать ситуации, когда из-за каких-либо препятствий происходит нарушение вышеупомянутого условия. О таких срывах приемник оповещает оператора звуковым сигналом, а на дисплее появляется надпись, предлагающая вернуться на предыдущий пункт. Если срыва не происходит, то, прибыв на очередной пункт, оператор устанавливает антенну над нужной точкой и переключает приемник в режим наблюдений на пункте, т.е. в статический режим, который продолжается меньше минуты; за это время оператор измеряет высоту антенны и вводит ее в приемник (а также вводит название пункта). На этом работа на пункте заканчивается, оператор переключает приемник в роверный режим и начинает двигаться к следующему пункту. Короткое время наблюдений на пункте обусловлено тем, что не требуется разрешать неоднозначность на каждом пункте, ибо, определив число N_о при инициализации на базе, приемник при перемещении непрерывно отслеживает его изменения счетом фазовых циклов, если только не происходит потери сигнала от спутника из числа четырех необходимых.

Кинематика “в полете” (on the fly - OTF). Так называется вариант кинематического режима, не требующий инициализации. Его используют в том случае, когда есть уверенность, что прием сигналов достаточного количества спутников не прервется в течение 20-30 минут. За это время при непрерывной работе приемника он накопит достаточно информации для того, чтобы программное обеспечение при постобработке смогло разрешить неоднозначность.

Общим недостатком всех перечисленных способов наблюдений является необходимость постобработки в камеральных условиях (off line).

Кинематика в реальном времени (RTK). Существенным достижением в развитии кинематических режимов явилась разработка метода, позволившего осуществлять измерения и их обработку в реальном времени (on line), т.е. производить обработку одновременно с выполнением измерений. Такой метод получил название кинематики в реальном времени (Real Time Kinematics - RTK). Сущность метода сводится к тому, что между референцным и роверным приемником организуется цифровой радиоканал (в оба приемника вводятся соответствующие радиомодемы), по которому роверный приемник получает всю необходимую информацию, чтобы тут же ее обработать совместно с результатами своих фазовых измерений и определить свои координаты с ошибкой порядка сантиметра через несколько секунд после включения приемника. При этом не требуется никакой постобработки.

Планирование наблюдений. При использовании спутниковой технологии геодезических, топографических и кадастровых работ немаловажное значение имеет планирование наблюдений - этап, содержание которого отражает специфику спутниковых измерений. Целью планирования является определение оптимального интервала времени для наблюдений на данном объекте - оптимального в том смысле, что в этом интервале в зоне радиовидимости приемника будет находиться достаточное количество спутников и их конфигурация обеспечит PDOP, близкий к единице.

Специфика такого планирования заключается в том, что оно выполняется не только по результатам сбора “внешней” информации из разных источников (картографические материалы, данные рекогносцировки о характере местности, препятствиях и т.п.), но и при помощи программного обеспечения спутникового приемника, обеспечивающего получение альманаха созвездия спутников. Именно данные альманаха позволяют получить информацию о числе спутников и значении PDOP для данного интервала времени.