Технология построения высокоточной спутниковой геодезической сети

1. ошибки эфемерид спутников, значения которых должны быть известны на момент измерений;
2. влияние внешней среды, среди которого выделяют воздействие атмосферы (ионосферы и тропосферы), а также отраженных от окружающих объектов радиосигналов (многопутность);
3. инструментальные источники ошибок, к которым, как правило, относят вариации фазового центра антенны приемника, а также ошибки хода часов спутника и приемника.

Отдельно следует рассмотреть  геометрический фактор расположения спутников. Кроме того, целый ряд ошибок может возникать в процессе перехода из одной координатной системы в другую, в данном случае из глобальной системы WGS-84 в местную локальную систему координат.

 

2.2.1. Ошибки  эфемерид спутников

При получении координат  точек на земной поверхности спутниковыми методами необходимо наряду с определяемым расстоянием до спутника знать также  его эфемериды, которые задают местоположение спутника на момент выполнения измерений. Неточность знания эфемерид обуславливает соответствующие погрешности определения как абсолютных значений координат точек, так и их разностей между пунктами наблюдений. Неточное знание эфемерид связано, прежде всего, с расхождениями между предсказываемой (невозмущенной) и реальной (подверженной влиянию возмущающих сил) орбитами. К возмущающим силам относят различные факторы как гравитационного, так и негравитационного происхождения. Влияние различных факторов на движение искусственных спутников Земли приведено в таблице 2.1. 

 

Таблица 2.1.Влияние возмущающих факторов на движение ИСЗ.

Возмущающие факторы	Максимальное возмущающее  ускорение, м/с2	Максимальное возмущение за 1 час, м
Вторая зональная гармоника	5,3×10-5	300
Гравитация Луны	5,5×10-6	40
Гравитация Солнца	3×10-6	20
Четвёртая зональная  гармоника	10-7	0,6
Солнечная радиация	10-7	0,6
Гравитационные аномалии	10-8	0,06
Другие факторы	10-8	0,06

 

Приведенные в таблице 2.2.1 значения свидетельствуют о том, что, наибольшее воздействие на уклонения реальной орбиты от расчетной оказывает неоднородность гравитационного поля Земли. В частности, из-за влияния второй зональной гармоники такие уклонения для трехчасовых дуг орбит достигают 2 км, а для более протяженных двухсуточных дуг до 14 км. Столь значительные уклонения нельзя не учитывать при любых видах спутниковых измерений.

Суммарное гравитационное влияние масс Луны и Солнца хотя и оказывается существенно меньшим (для трехчасовых дуг уклонения  от невозмущенной орбиты оцениваются величинами на уровне от 50 до 150 м), но, тем не менее, при прогнозировании значений эфемерид его также следует учитывать.

Непосредственно с гравитацией  связаны также наблюдаемые на земной поверхности различного рода приливные явления, которые из-за перераспределения масс приводят к изменениям в предрассчитываемом гравитационном поле Земли, а, следовательно, и к влияниям на орбитальное движение спутника. Проведенная оценка свидетельствует о том, что уклонения спутника от расчетной орбиты из-за воздействия данного фактора даже для двухсуточных дуг лежат в пределах от 0,5 до 2 м, что составляет относительную ошибку 1/10000000. Этим влиянием можно пренебречь.

Переходя к оценке влияния факторов негравитационного  происхождения, следует заметить, что наиболее существенное влияние на неточность знания эфемерид GPS спутников оказывает солнечное радиационное давление. Уклонения спутников от расчетной траектории из-за воздействия прямого солнечного радиационного давления лежат в пределах от 5-6 м (для трехчасовых дуг) до 100-800 м (для двухсуточных дуг).

Указанные предрасчеты  влияния солнечного радиационного  давления характеризуются невысокой  надежностью по следующим причинам:

• интенсивность солнечного излучения не остается постоянной с течением времени;
• модель влияния данного фактора существенно изменяется при переходе спутника в зону тени и полутени;
• эффективная поверхность спутника плохо поддается предрасчету как из-за сложной конфигурации, так и из-за вариаций положения спутника в пространстве.

Дополнительную неопределенность в предрасчет влияния радиационного  давления вносит отраженная от земной поверхности солнечная радиация, зависящая от атмосферных условий  и отражающих свойств облучаемых Солнцем участков земной поверхности.

Другим возмущающим фактором негравитационного происхождения является атмосферное торможение. Следует иметь ввиду, что на характерной для GPS спутников высоте около 20 тыс. км атмосфера оказывается чрезвычайно разреженной, и ее влиянием при предрасчетах орбит спутников, как правило, пренебрегают.

Таким образом точность передаваемых по радиоканалу значений эфемерид характеризуется погрешностью на уровне около 20 м, что обеспечивает точность геодезических спутниковых  дифференциальных измерений на уровне около 1×10^-6. Такая точночть удовлетворяет требованиям большинства выполняемых геодезических работ. Однако в связи с широким развитием глобальных высокоточных сетей, предназначенных для изучения движения земной коры, отмеченный уровень оказывается недостаточным. В таких случаях прибегают к использованию апостериорного метода определения эфемерид. Его сущность состоит в том, что при окончательной обработке спутниковых измерений используют не передаваемые со спутника по радиоканалу значения эфемерид, а накопленные в банке данных специально организованных служб реальные (не прогнозируемые) значения эфемерид. Для потребителя информация об эфемеридах доступна через Интернет.

При апостериорных методах  удается повысить точность определения  эфемерид почти на порядок, т.е. довести эту точность до нескольких единиц метров. При таком подходе погрешность знания эфемерид перестает оказывать существенное влияние на результирующую точность спутниковых измерений для решения многих геодезических задач.

 

2.2.2. Влияние внешней среды

Влияние внешней среды на результаты спутниковых измерений проявляется как через изменения времени прохождения радиосигналов от спутника до приемника, так и через возникновение многопутности, обусловленной отражениями радиосигналов от тех или иных поверхностей, расположенных в непосредственной близости от приемника.

В свою очередь изменения  во времени распространения радиосигналов  связаны со скоростью распространения  электромагнитных волн, которая в  такой среде, как атмосфера, отличается от скорости света в вакууме. Изменения скорости на пути распространения сигнала становятся причиной дополнительных временных задержек, вследствие чего появляются ошибки в значениях измеряемых расстояний, пренебрегать которыми нельзя. Применительно к системе GPS радиосигнал большую часть своего пути проходит в вакууме. Но на высотах от нескольких сотен до нескольких десятков километров от земной поверхности находится область ионизированной разреженной атмосферы, получившая название ионосферы Характерная особенность ионосферы состоит в том, что она вносит задержки во время, затрачиваемое сигналом на прохождение через такую среду.

На высотах менее 20 км от земной поверхности находится  газообразная атмосфера, получившая название тропосферы. В этой среде отсутствует  зависимость скорости радиоволн от частоты, но начинает проявляться зависимость от метеорологических факторов (температуры, давления и влажности), которые в приземных слоях атмосферы могут изменяться с течением времени.

Наряду с атмосферными влияниями результаты спутниковых измерений подвержены также многопутности, которая приводит к попаданию на вход приемника нескольких идентичных радиосигналов, прошедших различный путь. В результате их взаимодействия возникает результирующий сигнал, который несет в себе несколько искаженную информацию о величине измеряемого фазового сдвига.

Поскольку механизм влияния  для перечисленных выше трех источников ошибок существенно различен, то проанализируем раздельно особенности таких  влияний.

 

2.2.2.1. Влияние ионосферы

Ионосфера, являющаяся наиболее удаленной от земной поверхности частью атмосферы, подвержена сильному воздействию космического излучения, прежде всего ультрафиолетовой радиации Солнца. В результате такого облучения электрически нейтральные молекулы и атомы воздуха ионизируются, т.е. распадаются на свободные электроны и электрически заряженные ионы.

Поскольку энергия отдельных  квантов электромагнитного ионизирующего  излучения зависит от частоты  излучения, то степень ионизации  также зависит от частоты излучения, причем, чем выше частота, тем интенсивнее происходит ионизация. Для каждого вида молекул или атомов существует определенный пороговый уровень энергии, при котором происходит расщепление электрически нейтральных частиц воздуха. Интенсивная ионизация частиц воздуха происходит только при их облучении электромагнитными излучениями с длиной волны короче 0,13 мкм, т. е. колебаниями ультрафиолетового диапазона. Поэтому основным ионизирующим фактором в солнечном излучении является ультрафиолетовая радиация, энергия которой почти полностью затрачивается на ионизацию верхних слоев атмосферы, предохраняя тем самым земную поверхность от вредных воздействий радиации. Электрические свойства ионизированных слоев атмосферы оказывают большое влияние на прохождение через них радиосигналов различных частотных диапазонов.

Находящиеся в ионосфере свободные электроны под воздействием проходящих через ионосферу электромагнитных волн от спутника сами становятся источниками вторичных волн. Эти волны при взаимодействии с первичными приводят к появлению результирующих волн с несколько отличной скоростью распространения, значение которой может быть как ниже, так и выше скорости света в вакууме.

Однако, выполняя измерения на двух несущих частотах представляется возможным не только вычислить практически свободную от влияния ионосферы величину измеряемого до спутника расстояния, но и определить значение ионосферной поправки. Остаточное ее воздействие на результаты измерений обусловлено, главным образом, недостаточно строгим модельным представлением зависимости ионосферной поправки от частоты.

 

Так поправка за ионосферу ΔΦ_L1^ion определяется по следующей формуле:

,                                   (2.1)

где:

;                                                (2.2)

;                                        (2.3)

.                                        (2.4)

Здесь:

 и  -значение несущей частоты соответственно для L1 и L2;

 и  -целое число периодов за время прохождения сигналом расстояния от спутника до приёмника соответственно для L1 и L2;

и -измеряемое значение разности фаз соответственно для L1 и L2.

Дополнительного ослабления влияния ионосферы удается достичь  при выполнении работ в ночное время.

 

2.2.2.2. Влияние тропосферы

При выполнении спутниковых  измерений наряду с ионосферой приходится учитывать также влияние тропосферы, которая представляет собой ближайшую к земной поверхности часть атмосферы, простирающуюся до высот 20 км.

Отличительная особенность  тропосферы состоит в том, что  она является нейтральной (т.е. неионизированной) средой. Поэтому для частот радиодиапазона менее 15 ГГц такая среда может рассматриваться как среда, не подверженная дисперсии, вследствие чего скорость распространения радиоволн в ней не зависит от частоты. При этом фазовая и групповая скорости оказываются одинаковыми, а поэтому нет необходимости раздельно изучать влияние тропосферы на фазовые и на кодовые измерения. При разработке методов учета такого влияния не представляется возможным использовать описанные выше принципы измерений на двух различных несущих частотах, вследствие чего доминирующее положение занимают методы моделирования.

К настоящему времени  для учета влияния тропосферы предложено значительное количество различных  моделей, позволяющих оценить величину тропосферных задержек при прохождении  сигналов от космических объектов до расположенных на земной поверхности пунктов. Применительно к спутниковым системам позиционирования типа GPS наибольшее распространение получила модель Хопфилда. При разработке такой модели была обоснована целесообразность разделения преломляющих свойств тропосферы на «сухую» и «влажную» компоненты. При этом для показателя преломления n (а точнее для индекса показателя преломления N_trop = (n-1) 10⁶) была применена следующая форма представления:

N_trop=N_S+N_W ,                                                 (2.5)