Original: http://geodesy.hartrao.ac.za/site/en/geodesy-equipment/gnss-reference-stations.html

Глобальна навігаційна супутникова система (GNSS) є мережею супутникових систем для позиціонування або навігації на землі, в повітрі або на орбіті. Крім космічного сегмента, кожна система також має сегмент управління, відповідальний за технічне обслуговування і контроль якості системи, і наземний сегмент, що складається з наземних станцій спостереження. В даний час GNSS складається з чотирьох систем:

*Система глобального позиціонування (GPS), Сполучені Штати Америки
*Глобальна система орбітальна навігаційна супутникова система (ГЛОНАСС), Росія
*Galileo, Європейська комісія
*Beidou (перекладається як «Компас»), Народної Республіки Китай

Міжнародна служба геодинаміки IGS
Міжнародна служба ГНСС (IGS), раніше Міжнародна служба GPS, є добровільною федерацією більш ніж 200 світових агентств, які об’єднують ресурси і постійні дані GPS і ГЛОНАСС станції генерувати точні GPS і ГЛОНАСС продукції. IGS прагне забезпечити найвищі якісні дані і продукти в якості стандарту для глобальних навігаційних супутникових систем (GNSS) в підтримку досліджень з наук про Землю, багатопрофільних додатків і освіти. Ви можете думати про IGS як найвища точності міжнародного цивільного GPS спільноти. – Джерело: The International GNSS Service.

Проект GNSS

GNSS Проект Програми космічної геодезії HartRAO спрямована на ущільнюють наземної мережі GNSS і навколо південної частини Африки, а також сприяти корисності даних GNSS за допомогою дослідних продуктів і нарощування потенціалу.

Проект GNSS бере активну участь у створенні потенціалу в південній частині Африки:

*Аспіранти проводять дослідження в GNSS-суміжних областях.
*Курси по техніці обробки даних і станційних установок GNSS представлені.

Дослідження в рамках проекту GNSS фокусується на наступних темах:
· Висновок тропосферного обложеної вмісту водяної пари (СПВ) і ионосферной повного електронного вмісту (TEC) від заломлення сигналів GNSS.
· Геодинаміки та деформації земної кори африканських тектонічних плит.

Проект GNSS, від імені ХАРТРАО, служить в якості регіонального центру обробки даних для IGS. Відповідальність за утримання та експлуатацію таких GNSS станцій спільно з нашими численними співробітниками:

*Goug – Острів Гоф, Атлантичний океан
*ХРАО – Крюгерсдорп, Південна Африка
*Маїс – Острів Маріон, в Індійському океані
*Маун – маун, Ботсвана
*NMPL – Nampula, Мозамбік
*RBAY – Річардс-Бей, Південна Африка
*RDRG – Порт-Матурін, Острів Родрігес, Маврикій
*SIMO – Саймонстаун, Південна Африка
*STMP – Сан-Томе, Сан-Томе і Прінсіпі
*Suth – Сазерленд, Південна Африка
*VESL – Vesleskarvet, Антарктика

Програма також займається такими геодезичного дослідження, з використанням GPS:

*Footprint, щоб визначити місцеву корови і стабільність пам’ятника
*Collocation різних опорних точок та геодезичних методів
*Точні терміни з використанням GPS і водневого мазера
*Вивчення та усунення короткий термін сайт-специфічних помилок для GPS установок
*Вимірювання короткострокових (~ 2 години) малих (мм / год) руху
*Деформації земної кори в південній частині Африки, з використанням регіональної мережі (див регіональну карту мережі, адаптованої з карти світу IGS Центрального бюро), обробляються з використанням GAMIT.

Введення

Програма GPS була розпочата в 1973 році, коли ВВС США, армії, військово-морського флоту, морської піхоти та оборони Mapping Агентство вирішило використовувати свої об’єднані технічні ресурси для розробки дуже точного космічної навігаційної системи. Кадри з цих установ були зібрані в початковій кадри спільної програми Управління GPS, а потім до них приєдналися контингент з дев’яти інших країн-членів НАТО. Первинне обгрунтування програми GPS був військовим, але кількість цивільних користувачів і додатків зростає з кожним днем. GPS забезпечує високу точність часу, швидкості і позиційні дані, а також задоволення загальних вимог позиціонують радіо широкого спектру користувачів. Залежно від режиму використання та використовуваного обладнання, високоточних вимірювань можуть бути зроблені в геодезичного додатки. Тому використовується в геодезичних програм для доповнення та зміцнення баз даних, які використовуються для побудови моделей гравітаційних полів Землі, океанських припливів і відливів, морської поверхні рельєфу, орієнтації, рівня світового океану і океанічної циркуляції. Це особливо добре підходить для високої точності короткою базової роботи. GPS розглядається в якості основного інструменту геодезистів в зв’язку з різким поліпшенням техніки і програмного забезпечення для обробки, доступність і економічний доступ до GPS обладнання, мобільність і переваги міжнародного співробітництва.

Загальний Опис системи

Система GPS складається з трьох основних сегментів; Космічні, управління і призначені для користувача сегменти. Експлуатація сегментів простору і управління керується USAF Space Command і підтримку команди для операцій GPS є обов’язком ВВС США матеріально-технічного командування (AFLC).

Космічний сегмент

Повністю оперативний космічний сегмент був запланований, щоб мати сузір’я з 21 супутників, плюс 3 оперативних запасних частин, в шести площинах з чотирма супутниками на кожну площину. Їх орбіти номінально круглі з нахилом близько 55 градусів і мають період 12 годин. Орбітальна висота становить близько 20 200 км. Супутники передають сигнал з розширеним спектром на двох частотах в L-група, відома як посилання 1 (L1) = 1575,42 МГц і Link 2 (L2) = 1227,6 МГц. Сигнал L1 модулюється з точністю (P) далекомірного коду і грубий збір (C / A) далекомірного коду, в той час як сигнал L2 тільки модулюється з P-кодом. Всі компоненти сигналу контролюються атомним годинником, яка є ключем до точності системи. Накладені на кодах є дані повідомлення навігації, яка включає в себе супутникове годин і ефемерид параметри, інформацію синхронізації UTC і дані про стан здоров’я сигналу супутника. В даний час від чотирьох до восьми супутників видно з висоти маскою близько 15 градусів.

Сегмент користувача
доступ користувача
Два методи використовуються для зниження точності системи.

1.Селективний Наявність (SA) SA головним чином впливає на використання одного приймача і досягається головним чином розмивання частоти годин супутника. Рухаючись навігаційне повідомлення також може бути усічена, який забороняє користувачеві можливість точно обчислювати координати супутників.
2.Анти-Spoofing (AS) Ця функція викликається випадковим чином, щоб звести нанівець потенційну підробку (вороже імітація) користувачів PPS. Ця здатність істотно вимикає P-код або включається в зашифровану Y-коду.

Рівні обслуговування
Є два основних рівня сервісу, що надається GPS:

1.Прецизійне позиціювання (PPS) СУО може забезпечити 8-метровий кругове імовірне відхилення (КЕП) позиціонування і 100 нс (одна сигма) переклади часу UTC. СЕР визначається як радіус горизонтального кола, що містить 50% усіх можливих фіксації позиції. Ця послуга доступна тільки для авторизованих користувачів і в першу чергу призначений для військових користувачів. Доступ до ПФС знаходиться під контролем міністерства оборони США (DOD), викликаючи SA і AS.
2.Стандартна служба позиціонування (SPS) Дана послуга зазначена для отримання 100 м по горизонталі і позиціонування приблизно 337 нс часу UTC точність передачі.

Користувачі діляться на дві категорії: ті, які мають доступ до ПФС і балансу є користувачами за замовчуванням СПС. PPS-сумісний приймач GPS має вбудований криптографічний логіки, яка дозволяє обробляти cryption / дешифрування з ключами PPS. Зазвичай PPS-сумісні набори GPS приймач застосовувати PPS обробку шифрування / дешифрування для SA і AS функцій, хоча деякі GPS приймачі, використовувані в геодезичних знімальних мереж працюють в режимі обмеженого PPS. За допомогою цих GPS приймачів обробки шифрування PPS потрібно тільки в режимі реального часу підтримки функції AS як функції дешифрування SA подбала під час пост-обробки.

Сегмент управління

Сегмент управління складається з однієї станції Майстер управління (MCS) на сокола АСПО в Колорадо і п’яти контрольних станцій, розташованих на Гаваях, Кваджалейн, Дієго-Гарсія, Вознесіння і MCS. MCS зіставляє дані відстеження зі станцій стеження і обчислює орбіти супутника і параметрів синхронізації. Три наземні станції управління, які розташовані спільно з моніторних станцій в Кваджалейн, Дієго Гарсія і Вознесіння завантажити результати, як визначено MCS.

Багато інших станції стеження невійськові внести свій вклад в розвиток уточнених орбіт і збору даних для геодинамічних досліджень. ХАРТРАО в даний час встановлює приймач GPS Turbo ROGUE на правах оренди з Лабораторії реактивного руху в Пасадені, штат Каліфорнія. Це дозволить нам внести свій вклад цінні дані Міжнародної служби GPS для геодинаміки (IGS), яка використовує дані з глобальної мережі більше п’ятдесяти станцій, розташованих по всьому світу. Результати Центрального бюро IGS можна знайти на сайті http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/global.

GPS Спостереження

Є два GPS спостерігаються, які використовуються для визначення положення. Зниження точності додатків, таких як навігація використання псевдодальностей. У геодезичних зйомках фази несучої використовуються як воно забезпечує високу точність.

Псевдо Діапазон

Визначення місця розташування GPS заснована на концепції називається час прибуття в діапазоні. Простий приклад мав би розглянути випромінювання сигналу в якийсь певний момент часу t1 від стаціонарного передавача. Сигнал надходить в приймач через деякий час, скажімо, t2. Різниця в часі t2 – t1 дозволяє визначити час прибуття значення (TOA). Діапазон (відстань) між приймачем і передавачем може бути знайдена шляхом множення TOA зі швидкістю поширення сигналу. Коли чотири супутники спостерігаються одночасно, (х, у, г) положення і зміщення годин приймача можна знайти з одного спостереження. Оглядаючи термінології, це резекція відстанню.

Супутники GPS передають псевдослучайного шуму (PRN) послідовності модульованих радіохвиль. Коди PRN зумовлені рядки двійкових даних, які генеруються з годинника супутника, який служить в якості часу кодування передачі для сигналів. Передача кожного супутника є унікальним, навіть якщо всі вони передають на тій же частоті. Це дозволяє приймачу GPS розрізняти сигнали. Це досягається за допомогою приймача GPS, що генерує точною копією послідовності PRN, яка змішується в приймальнику, прокручуються вперед і назад в часі за допомогою коду відстеження контуру до отримання максимальної кореляції поки не буде досягнута. Величина повороту крана є спостережуване значення ТОА.

Годинники в приймальнику GPS не синхронізовані з годинником супутника, так що КОП не може бути застосована безпосередньо до простому прикладі вище. Годинник приймача має ухил, який знайдений в ролі обробника даних безлічі GPS-приймача. Коли спостерігається ТОА множиться на затримку поширення сигналу, щоб знайти геометричний діапазон, зміщення годин приймача включений. Цей загальний діапазон, називається (PR) вимірювання псевдо. Виміряні реципієнти порушені тропосферних і іоносферних затримок поширення. Тому TOA включає в себе як затримку поширення і зміщення годин.

Спрощений алгоритм визначення місця розташування користувача буде виглядати так:

1.Трек PRN послідовності з чотирьох супутників.
2.Помножити TOA значення швидкістю світла, щоб отримати чотири виміри PR.
3.Правильні вимірювання PR для іоносферних і тропосферних затримок. Додати поправку на різницю між годинами і системою GPS часу кожного супутника, ефекти відносності і т.д. 50 Гц потік цифрових даних (навігаційне повідомлення), що передаються з супутників, поряд з їх P- і кодів C / A містить необхідну інформацію, таку як GPS час Sytem з Transmision, ефемерид і синхронізації даних для конкретного супутника. Крім того, включені дані альманаху для всіх супутників, коефіцієнти для моделі затримки і супутникової інформації про стан здоров’я ионосферной, щоб зробити ці зміни.
4.Виконайте положення / час вирішення шляхом вирішення чотирьох рівнянь дальності і обчислити (х, у, г) визначення місця розташування з точки зору WGS-84 системи координат.

Точність системи Характеристики

Два важливі параметри викликають GPS, щоб показати розподілстатистичної точності. По-перше, є помилка в виміряних реципієнтів і по-друге, точність обмежуючим фактором через геометрії супутників. Ці два фактори мають важливе значення, оскільки це призводить до розуміння обмежень GPS і дозволяє прогнозувати стан і час точностей.

Користувач еквівалент помилок (помилка UERE)

Помилка у визначенні реципієнтів від кожного супутника викликано помилками в прогнозуванні орбіти супутника, стабільність його годинник, помилки в навігаційному повідомленні, іоносферних і тропосфері моделі, а також помилки кореляції. Помилка UERE міститься в навігаційному повідомленні і в поєднанні з факторами DOP дозволяє оцінки точності в точці позиціонування, яке може бути досягнуто.

Фактор зниження точності (DOP) Фактори

Фактори DOP зазвичай використовуються в якості запобіжного помилки, що вноситься ефекту від геометрії розподілу супутника на розташування і часу рішення. Фактори DOP прості функції діагональних елементів ковариационной матриці розумних налаштувань. Це опис стає ясно, коли він зрозумів, що фільтр Калмана в GPS-приймач містить матрицю оцінок (ковариационная матриця) похибок PR. Фільтр Калмана характеризує джерела шуму в результаті помилок в іоносферних поправок, користувач годинник дрейфують і т.д., для того, щоб звести до мінімуму їх помилки вводячи ефект. Це рекурсивна (лінійна комбінація попередніх оцінок і наявних даних) середньоквадратичне оцінки, що в певному сенсі найменших квадратів, дає мінімальну оцінку ковариационной вектора стану, який включає в себе такі параметри, як положення приймача GPS і часу. Матриця ковариаций помилок задовольняє рівняння Рікатті, який був би відносно легко вирішити за допомогою мікропроцесора, який в свою чергу facillitates реалізацію в GPS-приймач. Діагоналі матриці коваріації містить дисперсії помилок положення і похибки зсуву приймача тактовихімпульсів.

Хороший DOP має невелике число (2-3), тоді як поганий DOP має велику кількість. Інтуїтивно зрозуміло, що найкращий можливий DOP буде дано один супутник прямо над головою і трьох супутників, рознесених рівномірно на горизонті. Високі DOPS результат, коли супутники згруповані разом, або утворюють лінію. У міру того як позиції супутників передбачувані, значення DOP можуть бути розраховані на стадії планування обстеження, щоб забезпечити хороші значення. На закінчення цього розділу спеціальні типи DOPS коротко описані і їх виразами.

1.VDOP Вертикальний DOP. Описує вплив геометрії супутника на висоті.
2.HDOP Горизонтальний DOP. Вказує розведення точності для горизонтальних позицій.
3.PDOP Позиція DOP. У поєднанні з вертикальним горизонтальне значення положення.
4.TDOP Час DOP. Час вимірювання ефекту геометрії.
5.GDOP Геометрична DOP. Складений вимір розмірів по вертикалі-горизонталі часу.

Етапи Carrier

вимірювання фази несучої є більш точними, ніж вимірювання PR і використовуються на обох коротких і дуже довгих базових ліній з високою точністю. На питання “що таке фаза несучої” найкраще відповісти, починаючи з перших принципів. Фаза спостерігається різниця в фазі між переданої несучої хвилі з супутника і сигнал гетеродина приймача при заданій епохи т. Фаза хвилі, таким чином, має сенс тільки, коли вона визначається щодо іншого хвилі тієї ж частоти. Після того, як прийом сигналу почав ціле число циклів підраховуються. Вимірювання фази є неоднозначними і, якщо абсолютна різниця діапазон в початкову епоху не визначається, вимір фази забезпечує тільки зміни в діапазоні, у розглянутий період. Початкове число неоднозначності залежить від приймача супутникової комбінації в початкову епоху і залишається незмінним протягом певного періоду спостережень. Це дозволяє початкове і невідоме число двозначність бути представлено одним терміном зміщення. Зрив цикл може статися, коли відстеження переривається через блокування сигналів, слабких сигналів або неправильної обробці сигналу через збій в програмному забезпеченні приймача.

Цей ковзанню цикл змінить ціле число циклів, хоча дробове вимір фази після повторного захоплення сигналу буде таким же, як якщо б відстеження була перервана. Деякі методи були розроблені, щоб виправити циклу промахи, такі як методи пошуку, дискретної фільтрації Кальмана, оптимізованого розкладання Холецкого і в разі даних двочастотних в коді і носія, widelaning фіксації неоднозначності. Швидкі методи дуже важливі для реальних додатків часу і багато досліджень, в даний час в стадії розробки, щоб знайти більш ефективні і швидкі методи вирішення неоднозначності.

Фаза несучої Точність

У загальному випадку вертикальна складова має більшу стандартне відхилення, ніж горизонтальних складових. Це пов’язано з тим, що вертикальна складова не настільки стриманий і більш чутлива до помилок в тропосферного затримки. Точність в вертикальної складової зростає з великою кількістю супутників спостерігається одночасно в якості коефіцієнта кореляції між вертикальної координати станції і затримка зеніт tropospherical зменшується. Типові точність становитиме близько 10 мм в глобальному масштабі і близько 1 мм в локальному масштабі. Ці точності виходять тільки тоді, коли передове програмне забезпечення обробки використовується, а також точної інформації орбіти. Непередбачувана поведінка тимчасових і частотних стандартів, діючої як еталон для GPS приймачів є основним джерелом помилок при вимірі. За способом різницями, помилки, що виникають в результаті роботи приймача і супутникових годин може бути практично виключені. Диференціювання може бути зроблено між приймачами, супутники, епохи, або їх комбінації. Диференціювання зменшує вплив іоносфери і тропосфери, коли приймачі знаходяться близько один до одного, так що операція двочастотної не є необхідним для коротких базових ліній.