Содержание



«OCTAVA» – многофункциональный инструментарий обработки и анализа ГНСС наблюдений и точного позиционирования


block_sheme_sdk_octava

Рисунок 1. Функциональная схема реализованной в ПК «OCTAVA» сетевой технологии точного позиционирования

К основным направлениям разработок научно-исследовательской группы «R&D GNSSgroup» относятся:

  • способы построения информационно-измерительных ГНСС систем для решения практических задач точного определения местоположения (позиционирования) и навигации, новые методы реализации, развитие сетевых технологий;
  • «пре-процессинг» ГНСС–наблюдений – обнаружение, оценка и устранение фазовых циклических/полуциклических скачков; контроль и обеспечение качества (QC/QA) кодовых и фазовых наблюдений; оценка уровня многолучевости наблюдений; анализ ионосферной активности, оценка уровня ионосферных вариаций;
  • разрешение фазовой неоднозначности (РФН) наблюдений сетей перманентных ГНСС станций и подвижных потребителей для межбазовых расстояний средней (до ~200 км) и большой (~200÷1000 км) протяженности; верификация результатов РФН;
  • способы формирования и использования зональных (сетевых) коррекций для целей высокоточного позиционирования по фазовым измерениям; построение и оценка параметров локальных/региональных ионосферных и тропосферных моделей.

Накопленный опыт позволил в 2011–2013 г.г. достичь наиболее важных научных результатов, в частности, в решении задач определения условий и алгоритмов надежного разрешения фазовой неоднозначности двухчастотных и одночастотных ГНСС наблюдений, оценки и более точного учета ионосферных вариаций и тропосферных погрешностей наблюдений, создания новой сетевой технологии позиционирования сантиметровой точности по одночастотным наблюдениям в разреженных сетях референцных станций и др.

В результате выполненных разработок в 2002-2013 г.г. появился и развивается отечественный программно-математический комплекс (ПК) «OCTAVA» , который состоит из двух взаимосвязанных частей – «OCTAVA_PPA» и «OCTAVA_AR&POS» .

ПК «OCTAVA_PPA» предназначен для предварительной обработки («пре-процессинга») ГНСС наблюдений и является фундаментом для последующих стадий обработки ГНСС наблюдений. Решение задач РФН и точного позиционирования выполняет второй комплекс – «OCTAVA_AR&POS».

На рис. 1 представлена схема реализованной в ПК «OCTAVA» сетевой технологии точного позиционирования.


Программный комплекс «OCTAVA_PPA»


Разработка ПК «OCTAVA» была начата в 2002 г. с создания и исследований базовых алгоритмов, процедур и соответствующего программного обеспечения, необходимых для выполнения множества предварительных обязательных операций, предшествующих основным процедурам позиционирования (сглаживания наблюдений, разрешения фазовой неоднозначности, непосредственно позиционирования, верификации решения, оценки его точности и др.). Совокупности таких предварительных операций в специализированной литературе по вопросам ГНСС позиционирования получили название “предварительной обработки и анализа” (от англ. «pre-processing and analisys» или сокращенно, PPA), подразумевающее определенный набор операций обработки т.н. «сырых» ГНСС наблюдений. В частности, отдельный ПК предварительной обработки ГНСС наблюдений, получивший условное название «OCTAVA_PPA», предназначен для выполнения следующих основных операций:

  • преобразований входных данных к внутреннему формату с одновременным контролем входных данных на соответствие используемым форматам;
  • контроля и обеспечения качества наблюдений (устранения аномалий, контроль уровня шума и многолучевости, скорости дрейфа опорного генератора приёмника и т.д.) и эфемеридно-временной информации спутников ГНСС;
  • поиска, оценки и устранения циклических/полуциклических фазовых скачков одночастотных или двухчастотных ГНСС-наблюдений;
  • коррекции временных шкал приемников, контроля геометрических условий наблюдений и параметров качества решения навигационной задачи и др.;
  • анализа результатов предварительной обработки данных и визуализации контрольных параметров с выводом о пригодности наблюдений к дальнейшей обработке.

В 2004 г. была сформирована алгоритмическая основа ПК «OCTAVA_PPA», ключевой составляющей которого была совокупность алгоритмических и программных модулей обработки фазовых наблюдений [1, 2].

В 2005-2008 г.г. были завершены разработка и тестирование первой автоматизированной версии программного обеспечения «OCTAVA_PPA», в состав которой были введены новые составляющие (контроль качества наблюдений, поиск и устранение аномальных наблюдений, контроль качества эфемеридно–временных параметров спутников и др.), а также внесено множество усовершенствований и дополнений в совокупности модулей устранения фазовых скачков, оценки уровня многолучевости, решения навигационной задачи, отображения выходной информации и др. Это стало возможным благодаря тестированию и эксплуатации программного комплекса в течение нескольких лет с использованием большого количества сессий наблюдений ГНСС оборудования практически всех ведущих мировых производителей.

Методическая и алгоритмическая основа, особенности программной реализации и результаты тестирования ПК детально описаны в работах [39], в ряде научно-технических отчетов и в презентациях на конференциях.

ПК «OCTAVA_PPA» (первой версии) представляет собой библиотеку функций и набора программ, для следующих типов входных данных:

  • наблюдения неподвижных пунктов с интервалам между отсчётами наблюдений от 1 до 5 секунд (OCTAVA_PPA_Static 1-1/5Hz);
  • наблюдения неподвижных пунктов с интервалам между отсчётами наблюдений от 10 до 30 секунд (OCTAVA_PPA_Static 1/5-1/30Hz);
  • наблюдения движущихся объектов с интервалам между отсчётами наблюдений 1 секунда (OCTAVA_PPA_Kinematic 1 Hz).

Каждая из программ способна обрабатывать наблюдения только системы GPS и предусматривает наличие оператора, который устанавливает файлы, которые необходимо обработать, и задаёт настройки. Кроме того, была создана модификация программы для обработки наблюдений неподвижных пунктов с интервалом между отсчётами наблюдений от 1 до 5 секунд, которая предусматривала возможность непрерывной посуточной автоматизированной обработки наблюдений сети перманентных референцных станций. В ходе работы над данным продуктом авторским коллективом было принято решение, что дальнейшие усилия будут направлены, преимущественно, на разработку продуктов для создания центров обработки ГНСС наблюдений. Доступ потребителей, желающих воспользоваться обработкой, должен в дальнейшем осуществляться с использованием Internet в интерактивном режиме.

Основной целью ПК «OCTAVA_PPA» является создание «очищенных» и отредактированных массивов наблюдений сетей базовых станций и потребителей, прошедших предварительную обработку, которые в дальнейшем могут использоваться для применения к ним различных методов точного позиционирования. Важной составляющей ПК «OCTAVA_PPA» является и контроль качества ГНСС данных на всех этапах предварительной обработки, который включает следующие функции:

  • контроля соответствия входных файлов стандартам RINEX; поиска и фиксации пропущенных и дублирующихся временных эпох в файлах наблюдений, контроля изменения темпа данных измерительной информации;
  • интерполяции бортовой эфемеридной информации, контроля «самосогласованности» эфемерид спутников;
  • контроля параметров точности и «здоровья» спутников (по файлу бортовых эфемерид);
  • обнаружения выбросов в наблюдениях кодовых псевдодальностей (функции RAIM) по невязкам при решении навигационной задачи (НЗ); идентификации этих выбросов и их устранения;
  • контроля уровня геометрического фактора (ГФ) при решении навигационной задачи;
  • обнаружения и устранения скачков временной шкалы, вызванных подстройкой опорного генератора приемника;
  • оценки ухода (скорости ухода) часов приемника и оценки уровня флуктуаций часов приемника;
  • обнаружения и фиксации аномалий в линейных комбинациях кодовых наблюдений (P2-C1);
  • контроля качества фазовых L1/L2 или L1 наблюдений: обнаружения последовательностей «больших» скачков и разреженных наблюдений, устранения аномальных участков из дальнейшей обработки;
  • обнаружения и регистрации «больших» скачков фазы на этапе предварительного анализа;
  • осуществления возможности визуального контроля всех параметров и их линейных комбинаций за счет устранения «динамики» в исследуемых временных рядах.

Упрощенная структурная схема ПК «OCTAVA_PPA» представлена на рис. 2.


Входные данные 1. Настройки оператора
2. RINEX-файлы одночастотных и двухчастотных ГНСС наблюдений
3. RINEX-файлы бортовой навигационной информации
Подготовительный этап 1. Преобразование форматов данных
2. Обработка и контроль качества (QC) бортовой эфемеридно-временной информации
3. Решение навигационной задачи (SPP)
4. Определение зон радиовидимости
5. Планирование обработки
6. Коррекция параметров шкал времени приемников
7. Первичное редактирование данных
Этап обнаружения, оценки, идентификации и устранения фазовых циклических скачков ("слипов") 1. Обработка линейных комбинаций фазовых наблюдений (L1-L1) для пар спутников с идентификацией и коррекцией циклических скачков L1 наблюдений
2. Обработка линейных комбинаций (L1-L2) по участкам, починка L2 скачков
3. Контроль качества коррекции средствами кодово-фазовых линейных комбинаций
4. Контроль качества по двойным разностям фазовых наблюдений (с использованием наблюдений других станций) (задается опционально)
Сохранение результатов починки "слипов", анализ качества наблюдений 1. Оценка уровня многолучевости и шумов кодовых наблюдений
2. Оценка уровня шумов фазовых наблюдений
3. Сохранение протокола обнаруженных и устраненных скачков фазовых наблюдений
Вывод и визуализация результатов обработки 1. Преобразование финальных результатов обработки в RINEX и Matlab структуры
2. Визуализация результатов обработки

Рисунок 2. Упрощенная структурная схема ПК «OCTAVA_PPA»

Конечные продукты предварительной обработки могут быть весьма полезными как для операторов сетей базовых станций и использующих их данные центров обработки, так и потребителей. В частности, результаты обработки с использованием ПК «OCTAVA_PPA» могут быть полезны для научных и учебных организаций, компаний, выполняющие геодезические, кадастровые и другие виды работ с использованием ГНСС и др. Это, во-первых, может помочь потребителям улучшать качество получаемых ими результатов за счёт использования исходных данных, в которых вероятность появления аномалий в кодовых или фазовых наблюдениях значительно снижена. Во-вторых, оценки качества первичной измерительной информации, такие как, уровень многолучевых и шумовых погрешностей кодовых наблюдений могут помочь в оценке качества ГНСС–аппаратуры, мест размещения приёмных антенн измерительных пунктов и др. В-третьих, потребителям может быть доступна полная детализированная информация об измерительном сеансе, включая данные об интервалах непрерывности фазовых наблюдений, что даёт возможность потребителям, основываясь на результатах пре-процессинга с использованием этого ПК разрабатывать и применять собственные методы точного позиционирования (реализация функций SDK).


В 2008 г. была осуществлена регистрации авторских прав на ПК «OCTAVA_PPA» [3]:


certificate_octava


Несмотря на положительные качества первой версии ПК «OCTAVA_PPA», в ходе всестороннего тестирования с использованием наблюдений перманентных станций, а также статических и кинематических наблюдений потребителей, были выявлены недостатки и ограничения ПК. Это вызвало необходимость доработок, расширения либо изменения функциональных возможностей алгоритмов и программ ПК, оптимизации организации вычислительных процессов (быстродействие, объем используемой памяти), и использования новых форматов входных и выходных данных и др. Поэтому в 2009-2010 г.г. была выполнена новая разработка (вторая версия ПК), позволившая значительно расширить его функциональные возможности и устранить множество недостатков программной реализации комплекса. Ниже кратко изложены основные усовершенствования и нововведения в ПК «OCTAVA_PPA» (подробно см. статью [9]).

Основные усилия были направлены на создание такой новой программной реализации ПК, которая могла бы применяться не только для решения научных, но и целого ряда актуальных практических задач. Важным шагом стало принятие новой архитектуры программного обеспечения (см. рис. 3). Так, если ранее для обработки наблюдений базовых станций и подвижных приёмников необходимо было использовать разные программы, то теперь обработка выполняется с использованием одной и той же программы-ядра, общей для всех типов входных данных и режимов обработки. Настройка ядра для задания режимов обработки осуществляется путём формирования проектов (формализованных структур переменных), настройки из которых считываются в начале работы программы. Также была выполнена эмпирическая оптимизация пороговых значений в различных процедурах ПК, которая обеспечила, с одной стороны, минимальный уровень ложных срабатываний, что обеспечивает сохранение максимального объёма данных для последующей обработки, и, с другой стороны, надёжное обнаружение и устранение ошибок кодовых и фазовых наблюдений для различных типов ГНСС оборудования.

block_sheme_sdk_octava_ppa
Рисунок 3. Архитектура усовершенствованного ПК «OCTAVA_PPA» [9]

К другим важными усовершенствованиям ПК «OCTAVA_PPA» относятся:

  • поддержка обработки наблюдений как GPS, так и ГЛОНАСС;
  • автоматическое обнаружение интервалов движения (например, для реализации функций режима съемки «stop&go»);
  • оптимизация работы ПК в целях существенного повышения быстродействия обработки наблюдений, решения проблем ограничений и сегментации оперативной памяти;
  • применение пакета расширения «Embedded MatLab», позволяющего создавать программы, которые могут быть преобразованы в исходный код на языке «С» и компилируются в «С-библиотеку».

Дальнейшее развитие описанного нового ПК «OCTAVA_PPA» предполагает продолжение работ по расширению его функциональных возможностей путём усовершенствование существующих, создания и внедрения новых методов и алгоритмов предварительной обработки и анализа ГНСС наблюдений. Так, в 2011-2012 г.г. был разработан и протестирован новый эффективный метод и алгоритмы обнаружения и устранения фазовых скачков кинематических наблюдений, которые позволяют получить надежное решение этой задачи как при частичной, так и при полной потере наблюдений всех спутников текущего созвездия, даже при использовании одной группы приращений между двумя соседними эпохами [10, 11]. Предполагается встроить эти и другие новые программные модули в новые версии ПК «OCTAVA_PPA».

Некоторые иллюстрации характеристик ПК «OCTAVA_PPA» приведены в презентации «Multifunctional software toolkit for processing and analisys of GPS/GNSS observations» [pdf]




Программный комплекс «OCTAVA_AR&POS»


Второй программный комплекс «OCTAVA_AR&POS», используя выходные данные ПК «OCTAVA_PPA», осуществляет решение ряда вспомогательных задач и финальной задачи – задачи точного позиционирования. Этот ПК включает совокупность программных модулей, главными из которых являются модули:

  • считывания ионосферных карт IGS из Internet и последующего расчета трендовой составляющей ионосферных задержек согласно глобальной модели GIM IONEX;
  • сглаживания кодовых наблюдений с использованием фазовых и получения предварительного решения (статического либо кинематического) дециметровой точности;
  • разрешения фазовой неоднозначности (двух- и одночастотных наблюдений, в статическом или кинематическом/ «stop&go» режимах); верификации (контроль качества) РФН;
  • расчета тропосферных задержек по модифицированной модели MOPS (RTCA DO-229D) и/или оценка зенитных тропосферных задержек (ЗТЗ) по фазовым наблюдениям на базовой линии или для сети станций;
  • оценки линейных комбинаций ионосферных задержек («geometry-free»);
  • формирования сетевых дифференциальных коррекций и их учет в наблюдениях;
  • выполнения координатно-временных определений (позиционирования) с использованием всех полученных ранее коррекций без и с оценкой дополнительных параметров обстановки (например, параметров модели ионосферных вариаций, ЗТЗ и др.); оценки точности полученного решения.

Основные результаты теоретических разработок методов и алгоритмов обработки ГНСС наблюдений, реализованных в ПК «OCTAVA_AR&POS», изложены в работах [1222] сотрудников НИЛ «ССТТП». В 2010-2013 гг. особое внимание уделялось решению задач разрешения фазовой неоднозначности на базовых удалениях до 200 км и верификации полученных оценок, а также задаче учета тропосферной и ионосферной составляющих погрешности ГНСС–наблюдений, которая особенно актуальна при высокоточном позиционировании с использованием одночастотного оборудования. Поэтому ниже рассмотрены некоторые важные аспекты решения указанных задач в ПК «OCTAVA_AR&POS».



Разрешение фазовой неоднозначности (РФН)


Без надежного устранения скачков и разрешения фазовой неоднозначности невозможно решить задачу точного позиционирования с сантиметровой точностью. Неоднозначность фазовых наблюдений является целочисленной, то есть фазовые наблюдения на интервалах непрерывного слежения включают постоянные на этих интервалах неизвестные величины. Эти величины равны целому числу длин волн, которые и необходимо определить в процессе РФН. Именно свойство целочисленности фазовых неоднозначностей, присущее процессу фазовых измерений, и является положительным дополнительным ограничением и позволяет при определенных условиях решить проблему РФН: ввести целочисленные коррекции в фазовые наблюдения и выполнить точные координатные определения, используя фазовые псевдодальности, аналогично тому, как решается навигационная задача с использованием кодовых псевдодальностей.

Проблема РФН в задачах точного ГНСС-позиционирования является одной из самых сложных. Несмотря на значительное количество выполненных в мире исследований, задача РФН не имеет окончательного эффективного универсального решения для множества практически важных случаев, имеется потребность и в развитии теории обработки фазовых наблюдений. В частности, остро стоит проблема достижения высокой надежности РФН (как для одночастотного, так и для двухчастотного/трехчастотного геодезического ГНСС–оборудования) при измерениях на средних и больших базовых расстояниях, в условиях разреженных сетей референцных перманентных станций, в условиях сильных ионосферных возмущений. Важно также констатировать, что в принципе пока не решена и проблема достижения высокой надежности целочисленного РФН для одночастотных наблюдений на базовых расстояниях свыше 15-30 км, особенно для таких производительных режимов геодезической съемки как кинематический и «стой-иди» («stop&go»). Проблемным теоретическим и практическим вопросом пока еще остается надежная верификация полученных целочисленных решений для указанных более сложных условий измерений. С увеличением базовых расстояний и в условиях возмущений среды распространения сигналов увеличиваются остаточные медленноменяющиеся составляющие фазовых и кодовых наблюдений, такие как ионосферные, тропосферные, эфемеридные и другие, которые становятся превалирующими по сравнению с шумовыми погрешностями и в указанных условиях характеризуются нестандартными законами распределения и являются нестационарными процессами. Это, в свою очередь, приводит к нарушению основных предположений о статистических характеристиках погрешностей наблюдений, нарушению оптимальности алгоритмов обработки наблюдений и, соответственно, к уменьшению вероятности или даже невозможности решения задачи целочисленного РФН, а, значит, и быстрого достижения сантиметровой точности позиционирования. В этих условиях остается актуальной задача создания новых усовершенствованных методов и алгоритмов разрешения фазовой неоднозначности, способных преодолеть перечисленные проблемы и улучшить характеристики ГНСС–позиционирования в сложных условиях выполнения измерений.

В НИЛ «ССТТП» предложены усовершенствованный метод и алгоритмы разрешения фазовой неоднозначности двухчастотных фазовых GPS–наблюдений, статического и кинематического позиционирования сантиметровой точности на базовых расстояниях до 200 км.

Многочисленные тесты полученных решений с использованием реальной измерительной информации показали, что разработанные метод и алгоритмы обработки двухчастотных ГНСС–наблюдений позволяют надёжно выполнять РФН на средних (~100 км) базовых линиях в режиме OTF (без статической инициализации) на очень коротких интервалах (15-60 с) с достижением сантиметровой точности кинематических координатных определений.

Для достижения надежного решения задачи РФН одночастотных статических и кинематических наблюдений необходим заметно больший интервал наблюдений. Так, при выполнении GPS позиционирования с использованием ПК «OCTAVA_AR&POS» на базовых расстояниях 5-15 км (в том числе и для режима относительных определений «moving bases») требуется от 3 до 12 мин непрерывных наблюдений, что соответствует общеизвестным мировым достижениям.

При одночастотном позиционировании с использованием ПК «OCTAVA_AR&POS» в статическом режиме съемки в зоне сети с межбазовыми расстояниями до 200 км на больших удалениях от ближайшей базовой станции (~100 км и более) для надежного целочисленного РФН (получение fixed-решения) требуемый интервал наблюдения составляет ~30-40 мин.

При одночастотном позиционировании в кинематическом режиме съемки в зоне сети с межбазовыми расстояниями до 200 км на больших удалениях от ближайшей станции (~100 км) требуется 50-60 минут непрерывных наблюдений (режим OTF - без начальной статической инициализации). С уменьшением размеров сети до ~50–70 км и совместного использования наблюдений двух ГНСС (GPS+ГЛОНАСС) ожидается, что для надежного РФН одночастотных наблюдений требуемый непрерывный интервал кинематической съемки (включая аэрофотосъемку) составит ~15-20 мин.

Некоторые иллюстрации характеристик ПК «OCTAVA_AR&POS» приведены в презентациях:


Оценка зенитной тропосферной задержки (ЗТЗ)


В 2012 г. сотрудниками НИЛ «ССТТП» был проведен цикл исследований, вследствие которых были созданы и верифицированы алгоритмы и программные модули оценки и точного учета тропосферных составляющих погрешностей определения местоположения по сигналам ГНСС.

Известная тропосферная модель MOPS (которая является общепринятой в спутниковой навигации) позволяет довольно точно определить среднесуточное значение ЗТЗ, тем не мене не позволяет моделировать изменения ЗТЗ с достаточной точностью в нестандартных условиях (например, при наличии атмосферных фронтов, осадков и т.д.). Изменения ЗТЗ в таких условиях могут приводить к отклонениям ЗТЗ от модельных значений до 20-25 см (например, в летний период, когда тропосфера может быть сильно возмущена). При использовании дифференциального режима позиционирования остаточная тропосферная погрешность моделирования зависит от базового расстояния и растет с его увеличением. Помимо этого, модель MOPS предполагает, что «ровер» и базовые станции должны находиться примерно на одинаковой высоте (перепад высот должен быть небольшой) иначе погрешности модели будут увеличиваться. Поэтому во многих случаях, когда требуется достижение более высокой точности позиционирования, необходимо оценивать ЗТЗ, особенно при относительных определениях на длинных базовых расстояниях (свыше 200 км). Как показали исследования, чтобы оценить ЗТЗ на сантиметровом уровне точности, необходим интервал накопления данных не менее 60 мин. Для получения значений ЗТЗ на каждую эпоху выполняется аппроксимация оценок ЗТЗ гладкими функциями.

В 2012 г. в ходе отдельной научно-исследовательской работы была проведена верификация алгоритмов оценки и точного учета тропосферных составных погрешностей дифференциального (относительного) позиционирования по сигналам ГНСС с использованием сезонных (весенних, летних, осенних и зимних) суточных выборок наблюдений коммерческой RTK–сети перманентных ГНСС станций ООО НПП «Навигационно-геодезический центр» в Харьковской области.

Разработанный прототип ПК «OCTAVA_AR&POS» позволил оценивать текущие интегральные зенитные тропосферные задержки с сантиметровым уровнем точности с использованием фазовых ГНСС измерений перманентных референцных станций на базовых расстояниях до 200 км. А оценки ЗТЗ на станциях позволили реализовать и проверить алгоритмы интерполяции этих задержек на текущее положение «роверных» приемников потребителей в зоне покрытия сети и существенно (до 20-30%) уменьшить (по сравнению с моделью) влияние тропосферных задержек на точность высотной составляющей координат.


Уменьшение ионосферных задержек одночастотных ГНСС наблюдений путем сетевой коррекции


Актуальной и имеющей большую практическую значимость для большинства ГНСС приложений является задача достижения сантиметрового/субдециметрового уровня точности позиционирования с использованием относительно недорогого одночастотного ГНСС оборудования.

Известно, что одним из главных факторов, затрудняющих решение задач высокоточного ГНСС позиционирования, являются проблемы точного учета задержки распространения сигналов в слоях ионосферы. Наибольший вклад в погрешности одночастотных наблюдений кодовых и фазовых псевдодальностей вносят именно ионосферные задержки. Многочисленные результаты исследований, выполненных в мире в последние два десятилетия показали, что достижение сантиметровой точности координатных определений возможно только при условии эффективной компенсации ионосферной задержки навигационных сигналов. Данная проблема подтвердилась и в результатах исследований сотрудников НИЛ «ССТТП». Таким образом, появилась необходимость проведения отдельных исследований путей уменьшения ионосферной составляющей погрешности измерений одночастотного ГНСС оборудования за счет использования наблюдений сетей станций (с межбазовыми расстояниями от 50км до 200 км) в условиях удаления потребителей от ближайшей станции ~25÷100 км. Следует отметить, что эта задача актуальна не только при обработке одночастотных измерений, но и двухчастотных. Так, при реализации технологий точного позиционирования реального времени (RTK - Real Time Kinematic) на базовых расстояниях свыше 30-50 км в условиях усиления ионосферных возмущений и, соответственно, усиления пространственно-временной декорреляции ионосферных погрешностей значительно возрастает вероятность неверной фиксации фазовых неоднозначностей из-за возрастания погрешностей фазового решения на разностной частоте («Wide-Lane»-комбинация фазовых наблюдений).

Получившие широкое применение модели компенсации ионосферных задержек (такие модели, как Klobuchar и GIM IONEX) позволяют с определенной степенью точности компенсировать только трендовую составляющую ионосферной задержки и не учитывают вариационную составляющую процессов, происходящих в реальной ионосфере. Однако, именно вариационная составляющая ионосферной задержки является превалирующей по сравнению с трендовой, величины изменений которой обычно не превышают 5..15 см для двойных разностей фазовых наблюдений на базовых расстояниях до 200 км. Прогнозировать изменения вариационных ионосферных составляющих очень трудно и для достижения необходимой точности позиционирования требуется реализация иных способов уменьшения этих составляющих ионосферных погрешностей, в частности, путем использования измерительной информации сети двухчастотных станций, окаймляющих зону местоположения потребителей и построения моделей, учитывающих как остатки медленноменяющихся крупномасштабных ионосферных неоднородностей, так и вариационную составляющие.

Компенсация ионосферных погрешностей наблюдений приемников потребителей с использованием сетевой ионосферной коррекции в ПК «OCTAVA_AR&POS» осуществляется путем интерполяции/экстраполяции ионосферных задержек двухчастотных референцных станций. Сама по себе эта процедура известна и используется при реализации RTK технологий сетевой дифференциальной коррекции VRS/FKP/MAC–типа. Однако эти технологии применяются только для двухчастотного позиционирования и эффективны при работе в зоне сгущенных сетей станций с межбазовыми расстояниями 50-70 км, т.е. при удалениях «роверных» приемников на расстояния до ~35 км от ближайшей базовой станции сети. В разреженных сетях, когда межбазовые расстояния достигают 100-200 км, именно из-за вариаций ионосферных задержек, особенно в условиях повышенной ионосферной активности, надежность разрешения фазовой неоднозначности и точность позиционирования как однобазового, так и сетевого методов дифференциальной коррекции заметно уменьшаются. Тем не менее, сетевой метод коррекции, как один из действенных способов уменьшения погрешностей позиционирования, представляет значительный интерес с точки зрения исследования свойств сетевых ионосферных коррекций, формируемых в условиях разреженных сетей. Интерес представляет компенсация, как вариационных составляющих, так и медленноменяющихся трендовых составляющих ионосферных задержек, сильно коррелированных по пространству и времени. С этой целью были разработаны и протестированы соответствующие интерполяционные алгоритмы и выполнена оценка точности сетевой компенсации ионосферных погрешностей наблюдений.

Анализ полученных результатов применения компенсации ионосферных задержек с использованием сетевого подхода показал, что в сетях с межбазовыми расстояниями до 200 км на удалениях до 100 км от ближайшей станции достигается двух–трехкратное уменьшение вариационных составляющих ионосферных задержек в наблюдениях потребителя, при этом систематическая (трендовая) составляющая уменьшается до уровня нескольких сантиметров.

Иллюстрации эффективности применения сетевого метода уменьшения влияния ионосферных погрешностей наблюдений «роверного» приемника на точность одночастотного позиционирования приведены в работах [12, 20, 22, 23]. Практически полного устранения влияния ионосферных вариаций на точность одночастотного статического позиционирования (и, фактически, достижения точности двухчастотного позиционирования) на базовых линях до ~100-150 км удается добиться за счет специальной обработки фазовых наблюдений (совместной оценки информационных параметров и параметров ионосферных вариаций). В случае кинематического режима измерений на данном этапе развития ПК «OCTAVA_AR&POS» используется, главным образом, компенсационная схема уменьшения влияния ионосферных вариаций на точность позиционирования. Для сетей с межбазовыми расстояниями ~70-100 км (удаления «роверов» от ближайшей станции до ~30-50 км) достижимая точность кинематического позиционирования в общем случае может характеризоваться уровнем, занимающим промежуточное положение между точностью «Wide-Lane» позиционирования и «Iono-Free» позиционирования по двухчастотным наблюдениям.


Заключение


Разработанный отечественный ПК «OCTAVA» не имеет аналогов в Украине, является уникальным научно-техническим продуктом многолетней разработки и исследований творческого коллектива авторов. Данный комплекс позволил выполнить целый ряд актуальных научно-практических исследований в области разработки новых эффективных методов и алгоритмов точного ГНСС позиционирования и представляет собой научный и практический базовый инструмент. Разработанные технологии двухчастотного и одночастотного ГНСС позиционирования сантиметровой точности являются конкурентоспособными, сопоставимыми по основным характеристикам с лучшими зарубежными аналогами, а в части одночастотных координатных определений – превосходят зарубежные аналоги в классе программных продуктов для постобработки.

В ходе многочисленных экспериментов и тестирования ПК «OCTAVA» установлено, что положенные в основу ПК разработанные технологии (методы и алгоритмы и программное обеспечение) обработки информации обладают следующими качествами.

  1. Характеристики разработанной технологии двухчастотного дифференциального позиционирования адекватны характеристикам известных зарубежных программных продуктов аналогичного назначения.
  2. Технология одночастотного дифференциального и относительного (включая режим «Moving Base») GPS позиционирования позволяет на базовых удалениях до 10-15 км выполнять статические и кинематические координатные определения, которые соизмеримы по точности с двухчастотными решениями. При этом разрешение фазовой неоднозначности надёжно выполняется на интервалах ~4-6 мин. при статической геодезической съемке и ~10-15 мин. при кинематической съемке. Ожидается (исходя из зарубежного опыта), что в случае использования нескольких спутниковых систем (например, GPS+ГЛОНАСС) характеристики указанной технологии будут существенно улучшены. Важными применениями такой технологии являются разнообразные задачи мониторинга подвижек искусственных сооружений и естественных объектов.
  3. При одночастотном сетевом позиционировании в статическом режиме съемки в зоне покрытия сетей с межбазовыми расстояниями до ~200 км на удалениях потребителя от ближайшей станции сети до ~100 км величины погрешностей (RMS) позиционирования составляют менее 1 см в плане и ~1-2 см по вертикали.
  4. При одночастотном сетевом позиционировании в кинематическом режиме съемки покрытия сетей с межбазовыми расстояниями до ~200 км на удалениях потребителя от ближайшей станции сети до ~100 км величины погрешностей (RMS) позиционирования составляют ~3-4 см в плане и ~5-6 см по вертикали. В зоне покрытия сетей с межбазовыми расстояниями до ~100 км на удалениях потребителя от ближайшей станции сети до ~50 км величины погрешностей (RMS) позиционирования составляют ~1-2 см в плане и ~3-4 см по вертикали.
  5. Сопоставление результатов сетевого кинематического одночастотного позиционирования с использованием ПК «OCTAVA» и характеристики характеристик сетевого двухчастотного RTK позиционирования (VRS, MAC, FKP) показало, что разработанная технология (режим пост-обработки) не уступает по точности указанным двухчастотным RTK технологиям.

Некоторые иллюстрации характеристик разработанного ПК приведены в разделе " Тестирование разработок "


Перечень ссылок


  1. Zhalilo A.A. «Pre-Processing & Analysis software "OCTAVA_PPA": concept, possibilities and features, initial test results» / A.A.Zhalilo, N.V.Sadanova // Proceedings of thе 2004 International Symposium on GNSS/GPS (GNSS 2004), Sydney, Australia, 6–8 December 2004.
  2. Zhalilo A.A. «Carrier-phase cycle-slip detection, estimation and correction of dual-frequency GPS data – new efficient technique, algorithms and experimental results» / A.A.Zhalilo, N.V.Sadanova // Abstract book, "Astronomy in Ukraine – Past, Present and Future", MAO-2004 Conference devoted to the 60th anniversary of the Main Astronomical Observatory of the National Academy of Sciences of Ukraine, 15-17 July, Kiev, Ukraine, - p. 154.
  3. Жаліло О.О. «Програмний продукт «Програмний комплекс OCTAVA_PPA»/ Жаліло О.О., Шелковєнков Д.О. // Свідоцтво про реєстрацію авторського права на твір №24507,-К: Міністерство освіти і науки,- 2008
  4. Жалило А.А. “OCTAVA”: многофункциональный программный инструментарий обработки и анализа GPS/GNSS наблюдений /А.А. Жалило, Д.А. Шелковенков// Интегрированные навигационные системы: XIV международная конференция, май 2007., Россия: труды. – С.-Пб.2007.:– С. 319- 321.
  5. Шелковенков Д.А. О контроле качества двухчастотных GPS-наблюдений на этапе предварительной обработки // Праці міжнародної науково-практичної конференції [«Сучасні інформаційні та електронні технології»], (Одеса, 22–26 травня 2006 р.) / Міністерство освіти і науки України – Одеський національний політехнічний університет – О.: «ВМВ», 2006. - Т.1. – С. 233.
  6. Шелковенков Д.А. Контроль качества кодовых и фазовых GPS-наблюдений на этапе предварительной обработки // Интегрированные навигационные системы: XIV международная конференция, май 2007., Россия: труды. – С.-Пб.2007.:– С. 310-312.
  7. Zhalilo A., Shelkovenkov D. Features and service performance of multifunctional software toolkit «OCTAVA» for processing and analysis of GPS/GNSS observations // GEOS 2007 Conference Proceedings, Prague, Czech Republic, 1st – 2nd March 2007, pp. 102-110.
  8. Жалило А.А. Разработка и тестирование новых эффективных методов и алгоритмов обнаружения и устранения фазовых скачков статических и кинематических ГНСС-наблюдений // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». – 2012, №171. – С. 340-371.
  9. Шелковенков Д.А. Многофункциональный программно-алгоритмический комплекс предварительной обработки ГНСС–наблюдений OCTAVA_PPA // Космічна наука і технологія – Т. 17, № 3. – 2011.– С. 16–27.
  10. Жалило А.А., Дицкий И.В. Новый эффективный метод устранения циклических фазовых скачков двухчастотных кинематических ГНСС–наблюдений // "Известия вузов. Радиоэлектроника". – 2011, т. 54, №8.– С. 18-28.
  11. Жалило А.А., Дицкий И.В. Устранение циклических фазовых скачков одночастотных кинематических ГНСС-наблюдений // "Известия вузов. Радиоэлектроника". – 2012, т. 55, №8.– С. 40-52.
  12. Жалило А.А., Желанов А.А., Шелковенков Д.А., Дицкий И.В, Бессонов Е.А. Основные результаты разработок исследовательской группы ХНУРЭ/ГАО НАНУ в области высокоточного ГНСС-позиционирования в период с 2002-2011 гг. // Научно-технический и производственный журнал "Геодезия и картография". – 2012, №12, Москва, Россия. – С. 38-50.
  13. Жалило А.А., Желанов А.А., Шелковенков Д.А., Шокало В.М. Оценка точности калибровки положения и вариаций фазовых центров приемных GPS/GNSS антенн // Космічна наука і технологія, 2008. – №4, С. 39-52.
  14. Жалило А.А., Желанов А.А., Шелковенков Д.А., Шокало В.М. Экспериментальная оценка возможности выполнения автоматизированного GNSS – мониторинга динамики подвижек техногенно-опасных объектов: результаты предварительных исследований // Вісник Державного університету інформаційно-комунікаційних технологій, 2008. – Т. 6, № 3, С. 223 – 229.
  15. Яцків Я.С., Харченко В.П., Жалiло О.О., Шелковєнков Д.О., Желанов О.О. та ін. Практика створення в Україні інформаційно-вимірювальної GNSS–системи та мережної VRS–технології забезпечення геодезичних і кадастрових зйомок // Наука та інновації – Т.5, №2.–2009. – С. 5-22.
  16. Жалило А.А., Желанов А.А., Шелковенков Д.А., Шокало В.М. Высокоточное GPS–позиционирование с использованием фазовых наблюдений разностной частоты // Радиоэлектроника. Известия ВУЗов – Т.54, № 2, 2011, С. 22-33.
  17. Жалило А.А., Дицкий И.В. Новый эффективный метод устранения циклических фазовых скачков двухчастотных кинематических ГНСС–наблюдений // Радиоэлектроника. Известия ВУЗов – Т. 54, №8. – 2011, С. 18-28.
  18. Яцків Я.С., Ємець А.І., Литвин М.О., Хода О.О., Жаліло О.О., Желанов О.О., Шелковєнков Д.О. та ін. Оптимізація мережі перманентних ГНСС–станцій України // Наука та інновації – Т.7, №5.–2011. – С. 22-55.
  19. Жалило А.А. Одночастотное ГНСС-позиционирование сантиметровой точности на базовых линиях ~100 км в зоне покрытия разреженных сетей перманентных референцных станций // 8-а Міжнародна науково-практична конференція «Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування – Європейський досвід» – Випуск 8 – 2012, С. 37-40.
  20. Дицкий И.В, Бессонов Е.А., Жалило А.А., Желанов А.А. О возможности использования отечественных разработок для реализации технологий точного спутникового RTK-позиционирования на длинных базовых линиях // 8-а Міжнародна науково-практична конференція «Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування – Європейський досвід» – Випуск 8 – 2012, С. 64-66.
  21. Жалило А.А., Дицкий И.В. Усовершенствованный метод разрешения фазовой неоднозначности двухчастотных дифференциальных фазовых ГНСС наблюдений // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». – 2012, №169. – С. 277-301.
  22. Жалило А.А., Бессонов Е.А. Повышение точности дифференциального одночастотного ГНСС позиционирования путём сетевой коррекции ионосферных погрешностей // Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». – 2012, №169. – С. 302-314.
  23. Жалило А.А., Желанов А.А., Дицкий И.В, Бессонов Е.А. Достижение сантиметровой точности сетевого ГНСС-позиционирования с использованием одночастотного оборудования на базовых расстояниях до 100 км // Материалы международной конференции "Украина–Россия–Сколково" – Киев, Киевский национальный университет им. Тараса Шевченко, 22-23 мая 2013 г., сборник тезисов конференции. – С.80-81.