Процесс определения координат при нахождении на одном месте или при перемещении сводится к получению сигналов со спутников системы GPS, их анализу и вычислению данных о местоположении приемника. Результаты вычисления отображаются в виде координат на дисплее приемника.

У приемника GPS есть способность вычислять скорость и направление движения, могут обеспечить привязку к загружаемой в приемник или в портативный компьютер карте местности или карте крупного города. Это свойство представляет большую ценность, так как позволяет ориентироваться в местности, которую не знаешь, наблюдая свое перемещение на экране монитора.

У приемников GPS имеются накопитель данных, предназначенный для хранения измеренных координат, а программное обеспечение контролирует установки интервала измерений и количества хранимых GPS-данных. Накопитель, в зависимости от назначения приемника, может быть либо выполнен в виде отдельного устройства, либо интегрирован с приемником в одном корпусе.

Навигационные сигналы gps

Каждый спутник GPS излучает на двух частотах - L1 и L2 - специальный навигационный сигнал в виде псевдослучайной фазоманипулированной последовательности, в котором зашифрованы два вида кода - код С/А (coarse/acquisition или clear/acquisition), или «грубый» код, доступный широкому кругу гражданских потребителей и позволяющий получать лишь приблизительную оценку местоположения, и код P (precision code), обеспечивающий более точное вычисление координат. Первоначально пользование кодом P было ограничено, но 1 мая 2000 г. эти ограничения распоряжением президента США были сняты, что позволило значительно увеличить точность этих приемников без необходимости их модернизации. Код С/А передается на частоте L1 с использованием фазовой манипуляции псевдослучайной последовательности длиной 1023 символа с защитой от ошибок. Период повторения С/А-кода - 1 мс. Тактовая частота - 1,023 МГц. Код P передается на частоте L2 с применением сверхдлинной псевдослучайной последовательности с периодом повторения 267 дней. Тактовая частота - 10,23 МГц. Кроме этих кодов в сигнале GPS может присутствовать и код Y, представляющий собой шифрованную версию кода P.

Кроме кодов С/А и P спутник GPS регулярно передает специальное сообщение, содержащее дополнительные сведения. Пользователь получает информацию о системном времени, эфемеридах (наборах параметров, точно описывающих орбиту движения спутника), прогнозе ионосферной задержки, показателях работоспособности. Передача навигационного сообщения длиной 1500 бит осуществляется со скоростью 50 бит/с на частотах L1 и/или L2.

Точность определения координат в системах gps

Координаты подвижного абонента определяются с помощью стандартного приемника сигналов GPS. Он может использовать пассивную или активную антенну и автономно вычисляет географические координаты и Всемирное время (UTC) по навигационным сигналам. Такие приемники обеспечивают высокую точность определения координат.

Приемники GPS могут различаться по количеству каналов приема, скорости обновления данных, времени вычислений, точности и надежности определения координат. Они могут быть оснащены несколькими приемниками, позволяющими отслеживать практически все навигационные спутники, находящиеся в зоне радио-видимости. Количество каналов приема обычно приводится в технических данных приемника. Если число каналов приема меньше количества наблюдаемых спутников, автоматически выбирается наиболее оптимальное сочетание последних. Навигационные данные обновляются каждую секунду. Время определения координат зависит от числа одновременно наблюдаемых спутников и режима определения местоположения.

Определение координат может производиться в двух режимах - 2D (двухмерном) и 3D (трехмерном или пространственном). В режиме 2D определяются широта и долгота, высота считается известной. Для работы в этом режиме достаточно присутствия в зоне радио-видимости трех спутников, и время определения координат не превышает 2 мин.

Определение пространственных координат абонента в режиме 3D требует, чтобы в зоне радио-видимости находилось не менее четырех спутников. Время определения координат при этом составляет не более 3 - 4 мин. Использование приемника только системы GPS или только системы ГЛОНАСС (об этом чуть ниже) обеспечит погрешность менее 100 м. А если использовать комбинированный двух стандартный GPS/ГЛОНАСС приемник, точность определения координат будет значительно выше, и погрешность составит всего 15–20 м.

При выполнении некоторых работ, например, геодезической съемки, требуется высокая точность определения координат. Ее обеспечивает дифференциальный метод, когда данные о координатах объекта, измеренные приемником GPS, уточняются привязкой их к размещенным на местности стационарным постам, которые оснащены приемниками GPS, координаты которых точно известны. Точность измерения координат при этом составляет от нескольких дециметров до 5 м.

На величину ошибки при определении координат влияет ряд факторов. Для уменьшения величины погрешности в каждом конкретном случае используются специальные меры, поэтому просто перечислим причины возникновения погрешностей.

1. Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа (Selective availability или S/A). В настоящее время этот режим отменен, но провайдер услуг GPS (Министерство обороны США) может его ввести в особых случаях. Величина среднеквадратической ошибки при этом составит примерно 30 м.

2. Погрешности, связанные с распространением радиоволн в ионосфере, происходят из-за задержки распространения сигналов при их прохождении через ионосферу, состояние которой зависти от многих факторов (время суток, года, уровень солнечной активности), и приводят к ошибкам порядка 20–30 м днем и 3–6 м ночью.

3. Погрешности, обусловленные распространением радиоволн в тропосфере (нижнем слое атмосферы). Погрешность при использовании сигналов с С/А-кодом не превышает 30 м.

4. Эфемеридная погрешность, обусловленная расхождением между фактическим и расчетным положением спутника GPS, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с его борта. Значение погрешности не превышает 3 м.

5.Погрешность ухода шкалы времени спутника обусловлена расхождением шкал времени различных спутников.

6. Погрешность определения расстояния до спутника. Это статистический показатель, который вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Величина ошибки обычно не превышает 10 м. Навигационный приемник сигналов для системы GPS состоит из приемного модуля и малогабаритной антенны с малошумящим усилителем. Приемный модуль выпускается как в виде автономного устройства со встроенными источниками питания, так и в виде отдельной платы, встраиваемой в абонентский терминал.

Истина, что всё познаётся в сравнении, это самое первое, что поможет понять, насколько точны навигационные системы. Если «начинать от печки», то современную навигацию можно сравнить с прокладыванием пути по солнцу и по звёздам. Теперь звёздами можно считать спутники Земли. Приём сигналов от них на ваше GPS-устройство, это как работа часового механизма, двигающего стрелки.

Если не мешают атмосферные или техногенные явления – особая плотность облаков или близость небоскрёбов и множество воздушных электрокабельных трасс, ваш навигатор будет работать в штатном режиме, и точность его будет стабильной. Определённая осторожность этой оценки связана не столько с этими помехами – с ними навигатор справляется в считанные мгновения – сколько, как ни удивительно, с военным ведомством США. Дело в том, что, открывая доступ к гражданскому использованию своей спутниковой системы, соответствующие службы в США настроили её работу так, чтобы никто, кроме них самих, не вздумал использовать самую точную навигацию в военных целях.

Следующие по точности GPS навигаторы – геодезические приёмники. Они обладают большим количеством каналов связи и сопротивлением помехам, их погрешность находится в пределах 1 см. За ними следуют менее точные навигаторы, используемые на открытых пространствах. Туристический класс поисковиков определит ваше местонахождение с точностью до 10 метров, и с таким несущественным отклонением укажет вам правильный путь.

Автомобильные навигаторы, действующие в закрытом пространстве салона, имеют дополнительную погрешность. Но для ориентирования в дороге она несущественна. Погрешность уменьшается до минимальных размеров самим навигатором. У автомобилистов есть и такой помощник, как GSM-модуль , с «подачи» которого становится ясной текущая дорожная ситуация.

Для увеличения точности существуют дополнительные инструменты, например, дифференциальный приёмник, действующий в системе GPS и корректирующий погрешности, допущенные этой системой. Особенно GPS нужен спасателям и поисковым отрядам, учёным, нуждающимся в определении точнейшего времени.

Есть проблемы точности, связанные не со спутниковой навигацией, а с достоверностью предоставляемых для использования электронных карт и сервисных дополнений к ним. Наибольшей точностью, по общему признанию, обладают постоянно дополняемые Яндекс-карты. И, наконец, GPS-навигаторы, которые есть и в мобильных телефонах. Хотя установка в них приложений не имеет широкого выбора, но и «родных» возможностей мобильного телефона с интернетом хватает для более или менее стабильного и точного сопровождения в пути.

Поиск Лекций

Об утверждении требований к точности и методам определения координат характерных точек границ земельного участка, а также характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке

Во исполнение части 7 статьи 38 и части 10 статьи 41 Федерального закона от 24 июля 2007 г. № 221-ФЗ «О государственном кадастре недвижимости» (Собрание законодательства Российской Федерации, 2007,
№ 31, ст. 4017; 2008, № 30, ст. 3597, ст. 3616; 2009, № 1, ст. 19; № 19, ст. 2283; № 29, ст. 3582; № 52, ст. 6410, ст. 6419) п р и к а з ы в а ю:

утвердить прилагаемые требования к точности и методам определения координат характерных точек границ земельного участка, а также характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке.

Министр Э.С. Набиуллина

Утвержден

приказом Минэкономразвития России

от_____________ №___________

Требования к точности и методам определения координат характерных точек границ земельного участка, а также характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке

1. Характерной точкой границы земельного участка является точка изменения описания границы земельного участка и деления ее на части.

Характерной точкой контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке является точка, в которой граница контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства изменяет свое направление.

2. Положение на местности характерных точек границы земельного участка описывается их плоскими прямоугольными координатами в проекции Гаусса-Крюгера, вычисленными в системе координат, принятой для ведения государственного кадастра недвижимости.

Местоположение здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке устанавливается посредством определения плоских прямоугольных координат в проекции Гаусса-Крюгера характерных точек контура такого здания, сооружения или объекта незавершенного строительства в системе координат, принятой для ведения государственного кадастра недвижимости.

3. Координаты характерных точек границ земельных участков и характерных точек границ контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства на земельном участке определяются следующими методами:

1) геодезическим методом (метод триангуляции, полигонометрии, трилатерации, метод прямых, обратных или комбинированных засечек и иные геодезические методы);

2) методом спутниковых геодезических измерений (определений);

3) фотограмметрическим методом;

4) картометрическим методом.

4. Закрепление характерных точек границы земельного участка на местности межевыми знаками осуществляется по желанию заказчика кадастровых работ. Конструкция межевого знака определяется договором подряда. В случае закрепления характерных точек границы земельного участка межевыми знаками их координаты относятся к фиксированным (обозначенным) центрам межевых знаков.

5. Метод работ по определению координат характерных точек устанавливается кадастровым инженером в зависимости от имеющихся исходных сведений и требований к точности определения координат характерных точек, принятых в настоящем документе.

6. Геодезической основой для определения плоских прямоугольных координат характерных точек границы земельного участка являются пункты государственной геодезической сети и пункты опорных межевых сетей.

Геодезической основой для определения плоских прямоугольных координат характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства являются характерные точки границы земельного участка.

СКП местоположения характерной точки контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства определяется относительно ближайшей характерной точки границы земельного участка.

7. СКП местоположения характерной точки границы земельного участка не должна превышать нормативную точность определения координат характерных точек границ земельных участков (приложение №1).

8. СКП местоположения характерной точки контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства не должна превышать нормативную точность определения координат характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства:

для земель населенных пунктов – 1м;

для иных земель – 5 м.

Если контур здания, сооружения или объекта незавершенного строительства совпадает с границей земельного участка, то координаты характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства определяются с нормативной точностью определения координат характерных точек границ земельных участков.

Если здание, сооружение или объект незавершенного строительства располагаются на нескольких земельных участках, для которых установлена различная нормативная точность, то координаты характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства определяются с точностью, соответствующей точности определения координат характерных точек контура здания, сооружения или объекта незавершенного строительства с более высокой точностью.

9. Для определения СКП местоположения характерной точки, используются формулы, соответствующие методам определения координат характерных точек.

10. Геодезические методы.

Вычисление СКП местоположения характерных точек производится с использованием программного обеспечения, посредством которого ведется обработка полевых материалов. При этом к межевому плану прилагается ведомость (выписка) из программного обеспечения.

При обработке полевых материалов без применения программного обеспечения для определения СКП местоположения характерной точки используются формулы расчета СКП, соответствующие геодезическим методам определения координат характерных точек.

11. Метод спутниковых геодезических измерений.

Вычисление СКП местоположения характерных точек производится с использованием программного обеспечения, посредством которого выполняется обработка материалов спутниковых наблюдений. При этом к межевому плану прилагается ведомость (выписка) из программного обеспечения.

12. Картометрический и фотограмметрический методы.

При определении местоположения характерных точек, совмещенных с контурами географических объектов, изображенных на карте (плане) или аэрофотоснимке, СКП принимается равной Мt = К*М.

Где М – знаменатель масштаба карты или аэроснимка.

— для фотограмметрического метода К принимается равным графической точности (например, при определении местоположения характерных точек по фотоснимкам – 0,0001 м);

— для картометрического метода:

— для населенных пунктов К принимается равным 0,0005 м;

— для земель сельскохозяйственного и иного назначения
К принимается равным 0,0007 м.

13. При восстановлении на местности границы земельного участка на основе сведений государственного кадастра недвижимости, положение характерных точек границы земельного участка определяется с нормативной точностью, соответствующей данным, представленным в приложении № 1.

14. Если смежные земельные участки имеют различные категории, то общие характерные точки границ земельных участков определяются с точностью, соответствующей точности определения координат земельного участка с более высокой точностью.

15. По желанию заказчика договором подряда на выполнение кадастровых работ может быть предусмотрено определение местоположения характерных точек границ земельного участка и контуров зданий, сооружений или объектов незавершенного строительства с более высокой точностью, чем установлено настоящим порядком. В этом случае определение координат характерных точек границ земельного участка, контуров зданий, сооружений или объектов незавершенного производится с точностью, указанной в договоре подряда.

16. По вычисленным координатам характерных точек границы земельного участка составляется их каталог, на основе которого вычисляется площадь земельного участка.

17. Для расчета предельной погрешности определения площади земельного участка применяется формула:

∆Р — предельная погрешность определения площади земельного участка (кв.м);

M t — максимальное значение средней квадратической погрешности местоположения характерных точек границы земельного участка, рассчитанное с учетом технологии и точности выполнения работ (м);

Р — площадь земельного участка (кв.м);

k — коэффициент вытянутости земельного участка, т.е. отношение наибольшей длины участка к его наименьшей ширине.

Приложение № 1

Нормативная точность определения координат характерных точек границ земельных участков

№№ п.п.	Категория земель, площадь земельных участков	Средняя квадратическая ошибка, (м)
1.	Земли сельскохозяйственного назначения
	площадь земельных участков до 1 га	0,2
	площадь земельных участков до 100 га
	площадь земельных участков более 100 га	2,5
2.	Земли населенных пунктов	0,2
3.	Земли промышленности, энергетики, транспорта, связи, радиовещания, телевидения, информатики, земли обеспечения космической деятельности, земли обороны, безопасности и земли иного специального назначения	0,5
4.	Земли особо охраняемых природных территорий и объектов, земли лесного фонда, земли водного фонда и земли запаса	5,0

©2015-2018 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных

Тестирование точности GPS-приемников у мобильных телефонов

В ходе работ по одному проекту нам понадобилось выяснить реальную (а не декларируемую) точность геопозиционирования у различных смартфонов.

Для этого был использован стационарный приемник фирмы Topcon, показания которого были взяты за эталон. В том же месте размещались тестируемые аппараты. После холодного старта дополнительно выдерживалось 2 минуты для более точного определения координат.

В тестировании принимали участие следующие аппараты:

• Fly IQ447 (80$);
• Nokia Lumia 625 (100$);
• Samsung Galaxy Tab 2;
• Промышленный смартфон Motorola TC-55 – (1500$);
• Промышленный смартфон Coppernic C-One (1500$);

Выглядело это следующим образом:

В итоге результаты (расхождение координат смартфонов с координатами стационарного приемника) оказались следующими:

• Fly IQ447 (GPS) – 1-3 метра;
• Coppernic C-One (GPS + ГЛОНАСС) – 2 метра;
• Motorola TC-55 (GPS + ГЛОНАСС) – 6 метров;
• Samsung Galaxy Tab 2 (GPS) – 8 метров;
• Nokia Lumia 625 (GPS) – 30 метров.

Немного разочаровала Motorola – за ее цену результаты ожидались более высокими.

Но больше всего удивил телефон Fly. За свою цену в 3000 рублей он оказался наиболее точным; при том, что у него отсутствует приемник Глонасс. Мы несколько раз перепроверяли результаты, но они неизменно оказывались на высоте.

К слову, данный телефон – единственный, кто всегда и везде в самолете с холодного старта находит спутники и вычисляет координаты. Несмотря на кажущиеся хорошие условия приема, большинство других телефонов далеко не всегда в полете находят сигнал с достаточного числа спутников – порой можно ждать по 20 минут, но так и не добиться определения координат.

Кстати, мы изначально не хотели брать за эталон координаты точки на карте (например, Яндекса). Нам известно о возможном расхождении карт с реальными координатами. В нашей точке у Яндекса величина этого расхождения составила около 5 метров.

Спутниковые приемники прочно укрепились в списках обязательного оборудования для геодезических изысканий и кадастровых работ, поэтому стоит разобраться в их предназначении и особенностях. В этой статье мы объясним принцип действия GPS приемников (система ГЛОНАС работает аналогично), как они помогают в геодезических работах, а также отличия от обычных GPS модулей на телефонах и навигаторах.

Что из себя представляет GPS?

Аббревиатура GPS расшифровывается как Global Positioning System, что означает «Система глобального позиционирования». Изначально эта система разрабатывалась военными армии США. Но со временем «ушла в народ», где нашлось для неё множество мирных применений.

GPS состоит из 24-х искусственных спутников Земли семейства NAVSTAR, первый из которых отправился на орбиту ещё в 1978 году. Именно такое количество спутников нужно для обеспечения работоспособности системы навигации. На борту каждого из них находится работающий на частоте 1575,42 МГц и 1227,6 МГц передатчик мощностью 50 Вт передающий пучок данных на Землю и атомные часы, обеспечивающие постоянную абсолютную координацию всей группы.

В систему входят и спутниковые приемники. Их может быть бессчетное множество. Как самых простых, установленных в навигаторах, так и технически сложных, находящихся в геодезическом и другом высокоточном оборудовании. Задача приемников уловить и записать данные, принимаемые от спутниковых передатчиков.

Задача GPS измерений

Основная задача, которая в геодезии решается с помощью GPS, - это . Используется система и в крупномасштабных , при , в кадастровых работах ( , ) для обеспечения привязки геодезических измерений относительно пунктов геодезической государственной сети (ГГС).

Важным вопросом является выбор пунктов ГГС, к которым будет привязываться опорная геодезическая сеть. Исследования показали, что стоит отдавать предпочтение пунктам более высокого класса, расположенным на расстоянии 5–15 км от промышленных объектов, чтобы исключить влияние техногенных факторов.

Принцип работы GPS приемников

Имея в своём распоряжении GPS-приемник, любой его пользователь на Земле может получить орбитальные координаты за сутки всех спутников, время с точностью до наносекунды, текущие дату и точное время отправки сообщения. Такую информацию отправляет каждый спутник. GPS-приемник рассчитывает расстояние до него, а при получении информации от нескольких спутников - взаимное их расположение, а также собственные координаты.

Чтобы определить просто положение на местности (широту и долготу), потребуется поймать сигнал минимум трёх спутников, а если нужна ещё и высота над уровнем моря - минимум четырёх. Это относится к ЛЮБЫМ спутниковым приемникам. Конечно, чем больше сигналов ловит приемник-тем точнее и быстрее определяется его местоположение.

Принцип определения координат приемника достаточно прост. Они получаются методом обратных засечек от передатчиков спутников. Обо всем по порядку. Передатчик и приемник имеют высокоточные часы. В спутнике они атомные с погрешностью 10¯9 секунды/год. В приемниках часы попроще, но тоже гораздо точнее наручных. Передатчик высылает кодированный сигнал с данными о времени передачи, своей орбите и координатах и многое другое. Сигнал со скоростью света достигает приемника и обрабатывается им. Время передачи и приема различается на незначительную величину, но именно по этим данным можно определить расстояние до спутника. Поэтому и часы должны быть очень точными. Расстояние есть скорость помноженная на время. Перемножив скорость света и время прохождения сигнала и определяется пространственная засечка. И так происходит со всеми спутниковыми сигналами.

Получается, что в каждый момент времени приемник получает одновременно сигналы от нескольких спутников и определяет свое местоположение относительно их. Понятно, что спутники постоянно движутся по разным орбитам, и приемник не стоит на месте. Учет этих и других факторов ложится на вычислительную мощь приемника и наземных центров управления системой.

Разница в GPS приемниках геодезических и обычных

Сначала необходимо немного рассказать о сигналах, которые передают спутники. На самом деле сигналы передаются в закодированном виде на двух модулированных частотах, названных выше. Навигационные приемники, не имеющие специальных дешифраторов (платных), могут обработать только «грубый» открытый код, посылаемый передатчиками. В него преднамеренно введена случайная незначительная ошибка. И именно она обуславливает столь невысокую точность обычных навигаторов. Сделано это из коммерческих соображений- «неиспорченную частоту» нужно покупать. И цена на данный момент каждой частоты превышает 100 тыс. рублей. Бытовым навигаторам достаточно точности открытого кода, поэтому они не так дороги, как геодезические приемники.

Второе различие- приемники в навигаторах работают в одиночку и определяют свое абсолютное местоположение. То есть без дополнительных уравниваний и других приемников. Они самодостаточны. Точность определения может достигать 20 и более метров. А геодезические приемники работают минимум в паре. Один находится на пункте с известными координатами (база), а второй- на определяемом пункте (ровер). Они находятся в относительной близости друг от друга (до 50 км) и должны получать сигналы от одинаковых спутников. Получается, что координаты определяемого пункта вычисляются не относительно летающих спутников, а относительно известного пункта. За счет этого точность определения положения приемника достигает 1-2 сантиметра.

Из отличий можно отметить цену (многократная разница), мощность, внутренняя начинка, размер (геодезические значительно больше).

Методы геодезических измерений GPS приемниками

Один из приемников должен находится на базе (с известным местоположением). Второй перемещается по определяемым пунктам. Есть несколько вариантов его передвижения. В этом и заключаются методологические отличия.

Статический метод- самый точный- 5мм + 1мм/км. На пункте необходимо наблюдать не менее 1 часа. Применяется для создания и развития опорных геодезических сетей.

Быстростатический метод- точность сопоставима с кинематическим, но менее достоверен. Длительность наблюдений 15-20 минут. Применяется для создания сетей сгущения.

Кинематический метод Stop-and-Go- около 1-2см + 2мм/км. Продолжительность на пункте около 30 сек. Часто применяется в топосъемке на открытой местности с небольшим количеством контуров.

Непрерывный кинематический метод- точность порядка 10-15см. Приемник движется непрерывно. Используется для трассирования линейных объектов (дороги, ЛЭП, подземные коммуникации и т.д)

С развитием GSM технологий появился самый «продвинутый метод»- RTK. Точность сопоставима с быстростатическим методом, но измерения проводятся несколько сукунд. В Москве и ближайшем Подмосковье в связи с большим количеством непрерывно работающих базовых станций этот метод считается предпочтительным (если, конечно, оборудование позволяет).

Как видно- методы отличаются временем непрерывного нахождения приемника на определяемом пункте. Чем дольше-тем точнее.

Стоимость работ с использованием GPS приемников

GPS измерения включаются в состав большинства инженерно-изыскательских и кадастровых работ, поэтому и стоимость измерений прописывается в смете на данный вид работ. То есть эти измерения являются одним из этапов проведения топографической съемки, межевания и т.д.

Как отдельный вид- GPS определение координат пунктов проводится для создания опорных сетей для разных строительных и не только нужд. Стоимость этих работ можно узнать, пройдя по синей ссылке справа. Стоимость GPS определений в составе других видов работ сопоставима с представленной.

Практическое применение одной из наиболее выдающихся современных разработок - системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), точность определения местонахождения объекта зависит от степени погрешности, возникающей при измерении расстояний от терминала до спутников. От степени влияния целого ряда факторов зависит, насколько точно будет определено местоположение GPS-приемника, будет эта погрешность составлять один метр или десяток, а то и сотню метров.

К факторам, оказывающим непосредственное влияние на степень погрешности, можно отнести следующие:

Специальная погрешность (SA);

Качество геометрии спутников;

Гравитационные влияния;

Влияния ионосферы;

Влияния тропосферы;

Отражения сигналов;

Относительность измерения времени;

Округление и вычислительные ошибки

Специальная погрешность

Данный фактор представляет собой искусственную погрешность, намеренное искажение времени сигнала, посылаемого спутником, в результате чего точность определения местоположения объекта прибором GPS снижалась до 50-150 метров. Погрешность искусственно вносилась в сигналы спутников в соответствии с требованиями режима SA - selective availability (селективного доступа), задачей которого было ограничить точность измерений для гражданских GPS-приемников.

Причина создания «специальной погрешности» заключалась в обеспечении государственной безопасности США. В момент организации и развития система глобального позиционирования GPS являлась исключительно военной разработкой, призванной обеспечить потребности силовых структур. Лишь с течением времени навигационная система получила коммерческое применение, возможность определять местоположение появилась и у гражданских лиц. Помимо исключительно мирных целей, система позиционирования могла быть использована для различных злонамеренных действий, которые представляли бы прямую угрозу для безопасности. Так, террористические организации получили бы возможность использовать GPS для определения местонахождения стратегических объектов и точного наведения дистанционного оружия.

Режим селективного доступа все-таки был отключен вследствие широкой распространенности системы глобального позиционирования, произошло это в мае 2000 года, и решение об этом принял лично президент США. Событие стало ключевым в истории развития GPS-навигации, еще бы – ведь с этого момента для частных коммерческих предприятий и простых граждан открылись новые горизонты использования системы точного определения координат. С момента отключения режима SA точность показаний приборов повысилась с 50-100 метров до 6-7 метров. Предпосылкой к полному отключению послужило частичное отключение, предпринятое в 1990 году, во время войны в Персидском заливе. Тогда армии США не хватало собственных штатных приемников, позволявших ориентироваться в пустыне, и было закуплено порядка 10 тыс. единиц навигаторов «гражданского» предназначения.

Качество геометрии спутников

Очередным фактором, влияющим на точность показаний GPS-приемника, является качество геометрии спутников – характер взаимного расположения спутников относительно приемника. Точность определения местоположения напрямую зависит от количества спутников в «зоне видимости» прибора, а также от того, как эти спутники распределены на небосводе. Все расчеты построены не столько на определении расстояния как такового, но и на пересечении прямых, образованных расстояниями от приемника GPS до каждого из видимых спутников. Именно эти пересечения формируют зону вероятного нахождения объекта, и чем обширнее зона, тем ниже точность определения.

Оптимальным вариантом измерения считается соотношение расстояний от терминала до четырех спутников одновременно, для создания подобных условий в любой точке земного шара по орбите Земли кружат 28 спутников. Спутники равномерно распределены по орбите на высоте 20350 км. Для высокой точности измерений необходимо, чтобы спутники, находясь в пределах видимости прибора, были разнесены на максимально возможное расстояние. Если же все четыре спутника будут расположены, к примеру, только на северо-западе относительно прибора, не исключен вариант, что определить местоположение будет невозможно, либо точность определения будет неудовлетворительной (100 – 150 м.). Область вероятного расположения прибора (пересечения прямых) будет весьма значительной, что негативно отразится на точности.

Особенно важным качество геометрии спутников является при расположении приемника GPS в местности, где спутники могут быть заслонены естественными или искусственными преградами. Это могут быть горы, ущелья, высотные здания, в такой местности важно количество спутников, которые прибор может засечь одновременно, чем меньше спутников оказывается в пределах видимости, тем ниже точность определения местоположения. В то время как один или несколько спутников остаются скрытыми, или же сигнал какого-либо из спутников заблокирован, система предпринимает попытки определить положение с помощью остальных спутников.

Существует система оценки качества геометрии спутников, которая используется производителями навигационных GPS-приборов и которая характеризует уровень потери точности непосредственно из-за расположения спутников. Показатель DOP (Delution of Precision - понижение точности), учитывает количество видимых спутников в определенный момент времени и расположение спутников относительно друг друга.

Помимо универсального показателя DOP применяются его модификации:

PDOP – этот показатель учитывает понижение точности определения местоположения без учета возможных погрешностей при определении времени;

GDOP – учитывает понижение точности с учетом временных погрешностей;

HDOP – учитывает только горизонтальную точность определения положения;

VDOP – показатель учитывает только вертикальную точность;

TDOP – учет точности времени

Пользователями приборов используется общее правило – чем выше значения показателей DOP, тем ниже точность определения. Кроме того, на качество геометрии спутников влияет широта, на которой находится приемник, а также близость к одному из полюсов Земли (влияние атмосферы).

Гравитационные влияния

Движение спутников, обеспечивающих работу системы GPS, по своим орбитам является достаточно стабильным, однако все же случаются некоторые отклонения. Причиной этих отклонений является гравитационное поле космических объектов – Солнца и Луны. Для преодоления подобных влияний данные о текущей орбите непрерывно корректируются и отправляются к приемникам уже в обработанном виде. Но, несмотря на принятые меры, гравитационные влияния все же приводят к погрешностям в измерении местоположения, такие погрешности могут приводить к потере точности определения до 2 метров.

Влияния ионосферы

Фактором, который имеет существенное влияние на точность вычислений, является разница в скорости прохождении сигнала от спутника в космосе и разных слоях атмосферы. Так, если в открытом космосе скорость сигнала равняется скорости света, то в тропосфере, а также в ионосфере эта скорость является более низкой.

На высоте от 80 до 100 км от Земли в результате воздействия энергии Солнца сконцентрировано значительное количество положительно заряженных ионов. В слоях ионосферы сигналы от спутников, представляющие собой электромагнитные волны, преломляются, за счет чего увеличивается время их прохождения через эти слои. Для преодоления влияния этого фактора используются корректирующие вычисления, проводимые самим приемником, поскольку возможные скорости прохождения сигнала через различные слои ионосферы достаточно хорошо изучены.

Но все же GPS терминалы (gps-трекеры), предназначенные для гражданского использования, не в силах выполнять корректировку в случае непредвиденных изменений, которые могут быть вызваны солнечными ветрами. Приемники, разработанные для нужд армии, принимают два вида сигналов с различной частотой, соответственно – с различной скоростью прохождения в ионосфере. Поэтому разница во времени их прибытия позволяет скорректировать погрешность, возникающую при вычислениях скорости прохождения сигналов через ионосферу.

Влияния тропосферы

При прохождении сигнала через тропосферу возникают искажения, вызванные погодными факторами, а именно – различной концентрацией водяного пара. Предугадать уровень концентрации пара настолько же сложно, насколько затруднительно предсказывать погоду, поэтому внести коррекцию методом вычислений крайне проблематично. С другой стороны, величина погрешности, вызванная особенностями прохождения сигнала через тропосферу заметно ниже влияния ионосферы, поэтому используется примерная поправка.

Однако данные спутников, которые расположены под углом менее 10° к горизонту, не включаются в измерения именно по этой причине, поскольку искажения достаточно высоки. Более точно настроить приемники позволяют погодные карты различных регионов. Геостационарные системы навигационного покрытия WAAS (Америка) и EGNOS (Европа) отсылают скорректированные сигналы для приемников, которые поддерживают дифференцированные поправки, эти данные заметно улучшают точность определения местоположения.

Отражения сигналов

Крупные объекты, находящиеся на пути сигнала – высотные здания и прочие объекты, часто становятся причиной его отражения, которое принимается терминалом GPS вместе с прямыми сигналами. Это приводит к искажению дальности, так как отраженному сигналу требуется больше времени, чтобы достичь приемника, погрешность в результате отражения может составлять несколько метров.

Также помехой для спутниковых измерений могут стать достаточно мощные источники излучений – радиостанции, локаторы, т.п.

Относительность измерения времени

Смысл очередного фактора, влияющего на погрешность в измерениях координат положения объекта, заключается в утверждениях теории относительности. В частности, согласно этой теории, при более высоких скоростях время течет медленнее. Спутник движется по орбите со скоростью около 12 тыс. км/ч., а уже при скорости 3874 км/ч. время для движущегося объекта течет медленнее, чем для неподвижного объекта (на Земле). Разница во времени (сигналы о точном времени отправляются со спутника в составе общего пакета данных) составляет 7,2 микросекунды в день. Впрочем, погрешность, вызванная этим фактором, является незначительной в сравнении со следующим утверждением той же теории относительности.

Теория относительности также свидетельствует о том, что время находится в зависимости от силы гравитации – чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее движется время. То есть, относительно объекта, который находится на земле, часы спутника будут идти быстрее, так как последний подвергается заметно меньшим гравитационным влияниям. Данный эффект мог бы привести к отклонениям на 38 микросекунд в день, что равнялось бы ошибкам в расчетах на 10 км. Для нейтрализации подобных эффектов нет необходимости вносить постоянные корректировки и проводить дополнительные вычисления, вместо этого было решено привести частоту часов на спутниках к определенному значению.

Еще один эффект, который учитывается при измерениях GPS только в особых случаях, известен ка «эффект Сагнака». Общий смысл явления заключается в том, что объект, находящийся на Земле в неподвижном состоянии, передвигается со скоростью порядка 500 км/ч (скорость вращения Земли). Явление приводит к определенным искажениям и зависит от направления движения объекта, поэтому для коррекции необходимы достаточно сложные вычисления. Искажения являются незначительными, хотя в некоторых случаях при измерениях принимается во внимание и этот фактор.

Округление и вычислительные ошибки

В тот момент, когда приемником GPS выполняются вычисления местоположения, данные о времени (терминала) синхронизируются с данными о времени на спутнике. Однако округления, производимые приемником при вычислениях, все же являются причиной погрешности, которая колеблется в пределах 1 м.

Заключение

Резюмируя информацию, изложенную в данной статье, мы приводим таблицу, в которой факторы, приводящие к искажению расчетов, отражены в виде примерного расстояния погрешности определения координат.

В сумме все причины, которые влияют на точность определения местонахождения объекта, составляют погрешность приблизительно до 15 метров. До момента отключения режима селективного доступа SA погрешность составляла до 100 метров. На уменьшение погрешности существенно влияют откорректированные данные систем WAAS и EGNOS, позволяющие сократить влияние тропосферы, гравитационные влияния, приводящие к ошибкам определения орбиты спутника. Таким образом, погрешность дополнительно может быть уменьшена еще на 3 – 5 метров.