Сузір’я GNSS
Глобальна система супутникової навігації (GNSS) – це мережа або сукупність супутників, які випромінюють сигнали, що використовуються для позиціонування та локалізації в будь-якій точці Землі. На даний момент існують наступні сукупності: система глобального позиціонування (GPS) Сполучених Штатів, Глобальна орбітальна навігаційна супутникова система (ГЛОНАСС) росії, Європейська навігаційна супутникова система Галілео, система навігаційних супутників Бейдоу (Китай), QZSS (Японія) і IRNSS (Індія). Сузір’я QZSS та IRNSS ефективні лише на частині землі, тому вони не ефективні, наприклад, в Європі, Латинській Америці та інших областях світу.
Коли приймач GNSS або CORS-станція працює та отримує дані, він завжди матиме певну кількість супутників, що рухаються по небу. Іншими словами, супутники GPS, GLONASS, GALILEO або BEIDOU, які обертаються над тією областю, надсилатимуть дані, які будуть отримані антеною GNSS приймача.
Для управління усією інформацією, яку надсилають супутники GNSS та отримують через антени, приймач GNSS використовує кілька каналів даних. Кожен канал отримує сигнал від конкретного супутника у конкретній сукупності. Але, крім того, кожен супутник висилає не лише один сигнал, але й кілька сигналів, сигнали на різних частотах.
Супутники GNSS безперервно надсилають навігаційні сигнали на двох чи більше частотах у діапазоні, відомому як “L-діапазон”. Ці сигнали містять коди дальності та навігаційні дані, щоб дозволити приймачам обчислити час від супутника до приймача та координати супутника у будь-який момент часу. Основні компоненти цього сигналу описані нижче:
Компоненти навігаційних сигналів:
Носій:
Радіочастотний синусоїдальний сигнал на заданій частоті.
Код дальності:
Послідовності 0 і 1 , які дозволяють приймачу визначити час проходження радіосигналу від супутника до приймача. Вони називаються псевдовипадковими шумовими послідовностями (PRN) або PRN-кодами.
Навігаційні дані:
Бінарне кодоване повідомлення, яке містить інформацію про ефемериди супутника (кеплерівські елементи або положення і швидкість супутника), параметри тактової поляризації, альманах (з набором даних про ефемериди зі зниженою точністю), стан супутника та іншу додаткову інформацію.
У наступній таблиці наведено приклад структури сигналів скупчення GPS у діапазоні L1:
У наступній таблиці ми можемо побачити різні частоти, що посилаються основними скупченнями у різних діапазонах.
Блоки жовтого кольору позначають діапазони частот, що використовуються супутниками в мережі GPS. Ми бачимо, що GPS має діапазон L1 з частотою від 1563 МГц до 1587 МГц приблизно, L2 і L5. ГЛОНАСС має діапазони G1, G2 і G3. GALILEO має 4 діапазони: E1, E5a, E5b і E6. У випадку з BEIDOU використовуються діапазони B1, B2 і B3.
Кожен супутник GPS надсилають сигнали в діапазонах L1, L2, L5; супутники ГЛОНАСС надсилають сигнали в діапазонах G1, G2, G3, і це також стосується супутників інших сузір’їв з їхніми відповідними діапазонами.
Переваги наявності декількох частот
Ми знаємо, що супутники GNSS обертаються навколо Землі на відстані трохи більше 20 000 кілометрів. Сигнали, випромінюванні супутниками, повинні подолати ці великі відстані і пройти крізь земну атмосферу, перш ніж досягти GNSS-приймача. Під час проходження через атмосферу Землі на сигнали будуть впливати різні шари атмосфери (тропосфера, стратосфера, мезосфера, термосфера і екзосфера) і різні температури в кожному з них (так званий атмосферний тепловий градієнт). Тому одночасне використання декількох частот має важливе значення для зменшення атмосферних похибок у геодезичних вимірюваннях. Ми пояснимо, як використання декількох частот допомагає зменшити атмосферну похибку:
- Іоносферна похибка: Термосфера або іоносфера – це шар атмосфери Землі, що містить вільні електрони, які можуть заломлювати сигнали GNSS при проходженні через цей шар. Ступінь заломлення залежить від частоти сигналів. Багаточастотні GNSS-приймачі можуть вимірювати швидкість поширення сигналів через іоносферу на різних частотах і розраховувати іоносферну затримку. Наявність декількох частот дозволяє точніше оцінити іоносферну затримку і скоригувати вимірювання, щоб зменшити цю похибку.
- Тропосферна похибка: Тропосфера – це найнижчий шар земної атмосфери, який зазнає постійних змін тиску, температури та вологості. Ці зміни впливають на швидкість поширення сигналів GNSS через тропосферу. Завдяки використанню декількох частот приймачі GNSS можуть вимірювати різницю в швидкості поширення сигналів різних частот і точніше оцінювати тропосферну затримку. Це дає змогу точніше коригувати вимірювання.
- Зменшення ефекту багатопроменевості: Ефект багатопроменевості виникає, коли сигнали GNSS відбиваються від найближчих об’єктів, таких як будівлі або нерівності місцевості, перш ніж досягти приймача. Це може вносити похибки в геодезичні вимірювання. Багаточастотні GNSS-приймачі можуть використовувати інформацію про фазу сигналів на різних частотах для зменшення ефекту багатопроменевості та отримання більш точних вимірювань.
- Підвищена доступність супутників GNSS: завдяки використанню декількох частот приймачі GNSS можуть відстежувати і використовувати сигнали від більшої кількості супутників. Це підвищує надмірність і надійність системи, оскільки якщо на сигнал впливають перешкоди або завади, приймач може використовувати сигнали з інших частот або супутників, щоб зберегти точність вимірювань.
Можна зробити висновок, що чим більша кількість частот, тим більша точність. Виникає фундаментальне питання:
Скільки каналів повинен мати GNSS-приймач, щоб скористатися всіма сигналами від усіх супутників, що знаходяться в небі у будь-який час?
Загалом на орбіті перебуває 102 супутники. Майте на увазі, що оскільки Земля є еліпсоїдом, ми ніколи не зможемо спостерігати всі супутники, доступні на орбіті, одночасно над географічною точкою. Скільки каналів потрібно для польової сесії з використанням багаточастотного (багатодіапазонного) GNSS-приймача, беручи до уваги максимальну кількість супутників GNSS, доступних в небі. Припустимо, що ми маємо найкращі атмосферні умови для прийому, безперешкодне чисте небо і завищену кількість супутників, що обертаються навколо географічної точки Землі, в якій буде працювати GNSS-приймач у будь-який момент часу.
Таким чином, зараз, маючи 160 каналів, ми можемо широко охопити всі частоти всіх супутників усіх супутникових мереж GNSS, які зараз працюють у космосі. Наразі вам не потрібно мати 200, 400 чи 600 каналів.
Слід зазначити, що деякі приймачі можуть потребувати додаткових каналів для прийому сигналів від розширених систем, таких як SBAS і L-діапазон, але навіть з урахуванням цих специфічних вимог можна зробити висновок, що 160 каналів достатньо як зараз, так і в найближчому майбутньому.
Отримана точність проти кількості супутників GNSS
З точки зору точності прийому сигналів GNSS важливо розуміти, що зв’язок між кількістю супутників і поліпшенням точності не є лінійною прогресією. Важливо підкреслити, що додавання супутників не призводить до відповідного покращення точності. Тому не можна сказати, що наявність певної кількості супутників автоматично забезпечує певну точність, як, наприклад, наявність шести супутників забезпечить точність у п’ять сантиметрів, або 80 супутників забезпечує точність в один міліметр. Таке уявлення є хибним і не відображає реальної роботи GNSS-систем.
Насправді зв’язок між кількістю супутників і точністю вимірювань демонструє тенденцію до покращення, але ця тенденція сповільнюється зі збільшенням кількості супутників. Іншими словами, якщо ви збільшуєте кількість використовуваних супутників, ви отримаєте значне покращення точності до моменту, коли покращення стає несуттєвим і має тенденцію до стабілізації. Наприклад, якщо у нас є вісімдесят супутників, то досягнута точність від цієї кількості не буде значно вищою, ніж при використанні, скажімо, двадцяти супутників. Залежність між кількістю супутників і точністю вимірювань є нелінійною і в кінцевому підсумку залежить від практичних обмежень і додаткових факторів, що впливають на точність.
Отже, коротко кажучи, вам не потрібно більше 160-180 каналів, щоб отримати найвищу точність, оскільки на даний момент вона вам не потрібна через поточну доступність супутників GNSS в космосі.
184 каналів GNSS-приймачів більш ніж достатньо для високої точності супутникового геопозиціонування, вони досягають точності до 10 мм в режимах PPK, RTK і NTRIP.
Джерело: 