Русский   English
ДонНТУ   Портал магістрів

Реферат за темою випускної роботи

Зміст

Вступ

У сучасному суспільстві широко використовуються технології глобальних навігаційних супутникових систем (ГНСС).

Сьогодні GPS-спостереження є важливим елементом багатьох геодезичних робіт, таких як: згущення геодезичних мереж, прив’язка локальної координатної системи до глобальних систем координат, кадастрові роботи, прив’язка аерофотозйомки, геодезичний моніторинг зрушення земної поверхні і безліч інших.

Найбільша точність досягається застосуванням диференціальних методів вимірювань. Ці методи передбачають використання як мінімум комплекту з двох приймачів, один з яких встановлюється на пункт з відомими координатами, а другий на визначену точку.

1. Актуальність теми

Приймачі — це досить дороге обладнання, тому для економії коштів бажано застосовувати методики з одним приладом. У цьому випадку необхідно використовувати перманентні станції. На даний момент існує безліч комерційних компаній, які за певну плату надають дані для обробки, наприклад, такі як: „System Solutions“, „ГЕОСПАЙДЕР“, „HIVE“, „EFT-CORS“ та ін. Такі станції знаходяться на відкритій місцевості і в безперервному режимі виконують накопичення даних для можливості спільної обробки спостережень диференціальними методами. При цьому деякі міжнародні та державні компанії надають дані безкоштовно: „EUREF“, „Головний центр контролю навігаційного поля України“. Недоліком цих мереж є рідкісне розташування станцій по території або ж віддаленість від території Донбасу.

2. Мета і завдання дослідження

Мета даного дослідження полягає в обґрунтуванні можливості застосування на території Донбасу перманентних станцій, які знаходяться на великих відстанях.

Завдання дослідження:

  1. Обробка даних, отриманих з різних станцій відкритих мереж.
  2. Аналіз отриманих результатів для оцінки сфери застосування даних систем.
  3. Аналіз факторів, які можуть впливати на точність отримання координат.
  4. Розробка технології та визначення області застосування вимірювань ГНСС для цілей землеустрою та геодезії.

3. Огляд стану досліджень даного питання

Для аналізу можливості застосовуючи базових станцій, необхідно позначити основні фактори, що впливають на точність визначення координат. Аналіз літературних джерел [1-6] дозволяє виділити основні джерела помилок:

— помилки спостерігача (неточне вимірювання висоти антени, помилки центрування, помилки в показаннях метеообладнання);

— помилки апаратури, до яких відносяться помилки фазових і кодових відліків, що характеризують шум апаратури, помилки в виміряних тимчасові затримки або поправках годин, як на супутнику, так і в приймачі, нестабільність фазових центрів антен;

— вплив зовнішніх умов по трасі поширення сигналу (неоднорідності тропосфери та іоносфери, багатоколійній, інтерференція, ослаблення сигналів через перешкоди, вплив магнітних бур);

— помилки математичної обробки (слабка геометрія сузір’я супутників, помилки орбіт і апріорних координат початку базової лінії, помилки геофізичних моделей або стохастичних моделей).

Навігаційні сигнали, проходячи від супутника до приймача, взаємодіють з частинками атмосфери, які можуть бути зарядженими (іоносфера) і нейтральними (тропосфера). При проходженні сигналів через атмосферу змінюється їх швидкість (рефракція). У приймачів, які перебувають на відстані 25 км, різниця іоносферних вертикальних затримок може досягати 0.1-0.2 м [2]. Після виконання диференціальної корекції типова залишкова похибка для супутників поблизу зеніту буде близько 0.1-0.2 м при відстані між пунктами 100 км, але при активній іоносфері може досягати 1 м і навіть більше.

Через те що тропосфера є недеспергуючею середовищем, затримки пов’язані з проходженням через неї неможливо усувати в двочастотних спостереженнях, на відміну від іоносферної [2]. ]. Показник заломлення залежить від стану атмосфери, тобто в свою чергу від температури повітря, тиску, вологості. Два приймача, віддалених на кілька кілометрів, можуть перебувати в різних погодних умовах [2]. Тому для великих відстаней або при значній різниці висот потрібно віддавати перевагу роздільному введення поправок за тропосферу на базовому і роверного приймачі.

Мінімізація помилки тропосфери здійснюється за допомогою спеціальних тропосферних моделей, які будуються на підставі деяких середніх метеорологічних умов по моделі стандартної атмосфери для дня року і координат (широти і довготи) користувача.

У ряді джерел описано такий вплив тропосфери на точність отримання координат. В роботі [7] авторами визначено що, використання моделі „Saastamoinen“ і моделі „Hopfield“ має тенденцію давати найнадійніші результати. Інше дослідження [8] експериментально продемонструвало вплив різних тропосферних моделей на нігерійську постійну мережу GNSS.

Збільшення довжини базової лінії призводить до більш високої тропосферного затримки, це спостерігається з максимальною довжиною 1060,5 км. Аналогічні результати отримані в роботі [9], де виконано порівняння результатів GPS спостережень, отриманих при трьох різних глобальних тропосферних моделях: „Saastamoinen“, „Hopfield“, „Neil“. В цілому встановлено, що модель „Saastamoinen“ дозволила отримати більш точний результат на 89% в плані і 92% по висоті, ніж моделі „Hopfield“ і „Neil“. В роботі [10] оохарактеризовано вплив молекулярного і особливо нерезонансного поглинання сигналів в атмосфері. Зроблено висновок, що ослаблення сигналів в туманах і дощах слабо впливає на точність в дециметровому і сантиметровому діапазонах хвиль і практично не впливають на її значення в діапазоні метрових хвиль. Так само і в роботі [11] встановлено, що при порівнянні результатів базових ліній (від 150 км до 1900 км), отриманих з використання п’яти різних стандартних тропосферних моделей, оптимальним варіантом була обрана модель „Hopfield“.

Так як базові станції можуть розташовуватися досить далеко від визначених пунктів, слід наголосити на проблемі визначення таких ліній. У статті [12] приведено дослідження по обробці наддовгих базових ліній (довжиною понад 1 500 км). Автором визначені координати векторів з обробки, після чого виконано порівняння виміряних базових ліній з „фізичним еталоном“ (роль якого виконували пункти і каталог IGS (Міжнародної ГНСС-служби)) і з „теоретичним еталоном“ (роль якого виконували замкнуті векторні фігури). Наведені експерименти показали, що вимірювання та обробка наддовгих базових ліній за допомогою комерційного програмного забезпечення дають результати з похибкою близько 5 см.

В роботі [13]виконані вимірювання на відстанях 62-154 км, були отримані результати, які оброблені в різних програмах продуктах. В експерименті брали участь спостереження з інтервалами 1 годину, 30 хвилин, 20 хв, 10 хв, 5 хв. Отримано коливання похибок координат в межах 0,0186-0,5721 м. Авторами статті було зроблено висновок, що в даних дослідженнях були отримані хороші результати при реалізації мережевої обробки вимірювань при великих довжинах базових ліній. В іншому дослідженні [14] розглянуті можливості двох програмних комплексів для обробки поста GPS вимірювань. Експериментальним шляхом показана досяжність геодезичних рівнів точності визначення координат для шуканих точок в мережі станцій при довжинах базових ліній близько 60-100 км.

При виконанні роботи виникає також проблема впливу тривалості сесій відносних статичних спостережень. В роботі [15] досліджено такий вплив для двочастотних приймачів на середню квадратичну похибку (СКП) довжин векторів, які передбачені в державних мережах 2 класу, тобто від 5 до 20 км. Дослідження показали, що реальна точність довжин векторів, визначених за результатами спостережень двочастотних приймачами американських фірм, є істотно вище зазначених в технічних характеристиках приймачів. При даних відстанях і часу спостережень від 1 до 12 годин СКП знаходиться в межах від 2 до 4 мм.

В роботі[16]виконано дослідження для виявлення впливу тривалості сеансів спостережень на точність планових координат пунктів в невеликих супутникових мережах при різній кількості і розташування вихідних пунктів. Зроблено висновок про те, що в мережі з довжинами сторін до 42 км і тривалістю сеансів 4 години точність положення пунктів склала не менше 4 мм, а при тривалості сеансів 2,5 ч зменшилася на 70%. За тривалістю в 1 годину — майже в 2,5 рази, тобто залежність між точністю пунктів та тривалість сеансів спостережень змінюється, якщо змінюється довжина сторін в мережі.

В роботі [17] виконані RTK вимірювання за допомогою постійно діючих станцій на території Сербії. Авторами зроблений висновок про те, що точність RTK мережі постійних станцій знаходиться в межах 2-3 см, а відхилення, що перевищують ці величини, можуть виникати тільки в разі поганої геометрії супутників, коли PDOP більше 4. Довжини базових ліній знаходилися в межах 15-40 км. Результати аналогічних мереж [18] показують, що горизонтальна і вертикальна точність була 1-3 см і 5-7 см відповідно. Ці результати отримані для точок в радіусі 30 км від мережі.

При обробці даних має місце проблема вибору кількості базових станцій та вплив на точність. Тому в статті [19] виконано порівняння точності GPS-вимірів з використанням однієї або декількох базових станцій. Використання декількох базових станцій при кодових вимірах підтвердило підвищення точності координування в порівнянні з одиночною станцією. Використання однієї базової станції з кодово-фазовими вимірами дало близькі результати в порівнянні з вимірами за допомогою декількох базових станцій.

4. Збір та обробка спостережень

У даній роботі були отримані необроблені файли спостережень з відкритих мереж перманентних станцій (мал. 1):

— Головний центр контролю навігаційного поля України (ГЦКНПУ) [20].

— EUREF Permanent GNSS Network [21].

— EFT CORS [22].

Розташування перманентних станцій EUREF і EFT CORS

Малюнок 1 — Розташування перманентних станцій EUREF і EFT CORS

Так мережу GNSS EUREF функціонує під егідою підкомісії Регіональної довідкової системи IAG (Міжнародна асоціація геодезії) для Європи. Вона складається з:

— мережу постійно діючих навігаційних супутникових систем GNSS (наприклад, GPS, GLONASS, Galileo, Beidou);

— центри обробки даних, що забезпечують доступ до даних станції;

— аналітичні центри, які регулярно аналізують дані GNSS;

— центри продуктів або координатори;

— центральне бюро, яке відповідає за щоденний моніторинг і управління

Центр контроля навигационного поля (ЦКНП) вместе с сетью контрольно-корректирующих станций (ККС) составляют основную измерительную сеть „Системы координатно-временного и навигационного обеспечения Украины“ (СКНОУ). ЦКНП СКНОУ предназначен для мониторинга целостности глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС), формирование дифференциальной коррекционной информации (ДКИ), что обеспечивает на территории Украины повышение точности нахождения местоположения пользователя согласно сигналам ГНСС.

Мережа базових станцій GNSS-станцій EFT-CORS — інфраструктурний проект групи компаній EFT GROUP. Сервіс EFT-CORS має на увазі створення суцільного навігаційного поля поправок RTK і необроблених даних для додаткової обробки на території Російської Федерації. Підключаючись до даного сервісу, користувач отримує цілодобовий доступ до будь-якої з базових станцій діючої мережі без обмеження за часом роботи. Дані для постобробки надаються безкоштовно всім бажаючим, які пройшли реєстрацію і активацію на ресурсі.

З кожної мережі обрані найбільш наближені станції до Донецька (мал. 2). Відстані від перманентних станцій до Донецька складають від 100 до 240 км.

Схема розташування перманентних станцій

Малюнок 2 — Схема розташування перманентних станцій (анімація: 8 кадрів, 10 циклів повторення, 134 КБ)

При виборі даних для виконання дослідження дотримувалися такі вимоги:

— на кожній зі станції повинні бути спостереження в один і той же період;

— різна тривалість накопичення інформація (від 0,5 до 2 годин);

— вибір днів спостережень в різні періоди року.

Безпосередньо обробка буде виконуватися в програмному продукті „Topcon Tools“. Це програмне забезпечення призначене для обробки і зрівнювання спостережень, отриманих різними геодезичними приладами.

Всі файли спостережень конвертуються в RINEX, який є загальноприйнятим форматом обміну даними для файлів вихідних даних супутникових навігаційних приймачів. Також варто зазначити, що обробку можна виконувати при трьох доступних в програмі тропосферних моделях: „Niell“, „UNBabc“, „Goad and Goodman“.

Після отримання результатів, для оцінки точності необхідно визначити среднеквадратические помилки за формулою [23]:

Среднеквадратическая ошибка

де

xi — значення координат отримані після обробки, м;

x — еталонні значення координат, м;

n — кількість вимірювань.

За еталонні значення прийняті точні координати, які надані у відкритому доступі.

5. Аналіз результатів вимірювань

Відповідно до раніше визначеними джерелами помилок визначимо можливі фактори, які можуть вплинути на точність визначення координат:

— метеорологічні параметри (тиск, вологість, температура);

— PDOP (зниження точності по місцю розташування, що характеризують геометричне взаєморозташування супутників щодо антени приймача);

— дтривалості спостережень на станціях;

— кількість спостережуваних супутників;

— довжина базової лінії.

Одним з методів визначення залежності даних чинників від отриманих похибок є регресія.

5.1 Множинна регресія

Множинна регресія застосовується для дослідження явищ, які визначаються великим числом одночасно і сукупно діючих факторів. У зв’язку з цим виникає завдання дослідження залежності однієї залежної змінної Y від декількох пояснюють змінних X1, X2...Xn. Це завдання вирішується за допомогою множинного регресійного аналізу [24].

Загальний вигляд запису регресійній моделі з декількома пояснюють змінними:

Загальний вигляд запису регресійній моделі

Лінійна регресійна модель з декількома пояснюють змінними (Класична лінійна модель множинної регресії), має рівняння виду::

Лінійна регресійна модель

де:

Y — залежна, яка пояснюється, результуюча, ендогенна змінна (показник);

Xm — змінні (або ознаки), що характеризують результат або ефективність функціонування аналізованої економічної системи;

ε — регресивні залишки (випадкове обурення) або стохастична змінна, яка відображає вплив неврахованих в моделі і невідомих чинників;

am — параметри лінійного рівняння множинної регресії.

5.2 Оцінка параметрів лінійного рівняння множинної регресії

Для знаходження коефіцієнтів регресійної залежності (3) використовується метод найменших квадратів (МНК). МНК для оцінки параметрів лінійної регресії призводить до побудови та рішенням відповідної системи нормальних рівнянь [25]:

Метод найменших квадратів

Для зручності подамо дані спостережень і параметри моделі в матричної формі:

Вектор-стовпець спостережень залежної змінної

де

Y — n-мірний вектор-стовпець спостережень залежної змінної.

Матриця значень незалежних змінних

де

X — прямокутна матриця значень незалежних (факторних) змінних розмірності.

Вектор-стовпець параметрів рівняння регресії

де

A — m-мірний вектор-стовпець параметрів рівняння регресії.

У цих позначеннях емпіричне рівняння регресії виглядає так:

Ємпіричне рівняння регресії

В результаті перетворень отримуємо вираз для вектора параметрів регресії:

Вектора параметрів регресії

Користуючись методом найменших квадратів, необхідно пам’ятати про те, що він дає BLUE — оцінки коефіцієнтів регресії (Best Linear Unbiased Estimater), тільки при виконанні наступних умов:

— Регресійна модель лінійна щодо коефіцієнтів аj (j=1,2,...m), випадкового члена ε.

— Випадковий член має нульове математичне сподівання.

— Всі незалежні змінні не корельовані з випадковим членом.

— Випадковий член має постійну дисперсію (no heteroskedasticity).

— Жодна з пояснюють змінних не є лінійною комбінацією інших пояснюють змінних (no perfect multicollinearity).

— Випадковий член має нормальний закон розподілу.

5.3 Множинна кореляція

Показники множинної кореляції характеризують тісноту (силу) зв’язку розглянутого набору факторів з результативним ознакою, або, інакше, оцінює тісноту спільного впливу чинників на результат.

До показників множинної кореляції відносяться:

— Множинний коефіцієнт кореляції;

— Корреляционное відношення;

— Індекс кореляції;

Множинний коефіцієнт кореляції обчислюється за формулою:

Множинний коефіцієнт кореляції

При цьому коефіцієнтом множинної детермінації R2 називається квадрат множинного коефіцієнта кореляції [26]. Коефіцієнт множинної детермінації характеризує, на скільки відсотків побудована модель регресії пояснює варіацію значень результативної змінної щодо свого середнього рівня, т. Е. Показує частку загальної дисперсії результативної змінної, пояснений варіацією факторних змінних, включених в модель регресії.

5.4 Аналіз варіації залежних змінних в регресії

Оцінка значущості побудованого рівняння регресії в цілому проводиться за допомогою F — критерію Фішера

Оцінити значимість рівняння регресії — означає, що необхідно встановити, чи відповідає регресійна модель, що виражає залежність між змінними, експериментальними даними і чи достатньо включених в рівняння пояснюють змінних (однієї або декількох) для опису результативною змінної [25].

Оцінку статистичної значущості включення фактора в рівнянні регресії (послідовно), оцінюють за допомогою приватних F-критеріїв за такою формулою:

F-критерій

Оцінка значущості коефіцієнтів чистої регресії здійснюється за допомогою критерію Стьюдента:

Критерію Стьюдента

Розрахункові критерії Стьюдента порівнюють з критичним (табличним) значенням t-критерію при певному рівні значущості і числі ступенів свободи. При цьому якщо розрахунковий критерій більше табличного, то нульову гіпотезу про неістотність (статистичної незначущості, недостовірності) коефіцієнта регресії при заданому рівні значущості можна відхилити.

Висновоки

ПЗа вивченої літературі можна зробити висновок про те, що не існує повномасштабного дослідження застосування перманентних станцій при великих відстанях до визначених пунктів, які були б актуальні для умов Донбасу.

Тому в процесі даного дослідження передбачається обгрунтувати можливість застосування існуючих перманентних станцій глобальної навігаційної мережі для цілей землеустрою та геодезії в умовах Донбасу. За допомогою певних СКП можливо буде встановити сферу застосування даних мереж і технологію використання.

При цьому таке дослідження дозволить скоротити витрати на виконання супутникових спостережень. Це буде досягатися за рахунок: використання безкоштовних ресурсів, застосування тільки одного приймача і зменшення кількості працівників виконують вимірювання.

Також для оцінки можливих похибок буде проведено аналіз факторів, які впливають на точність координат. Такий аналіз дасть можливість визначити значимі фактори і ступінь їх впливу на результат. Що дозволить прогнозувати і вибирати оптимальні базові станції, періоди і тривалість спостережень.

Перелік посилань

  1. Антонович К. М.; Использование СРНС в геодезии. Том 1 / Антонович К. М., — Москва: ФГУП Картгеоцентр, 2005 — 334 с.
  2. Антонович К. М.; Использование СРНС в геодезии. Том 2 / Антонович К. М., — Москва: ФГУП Картгеоцентр, 2005 — 360 с.
  3. Физические принципы работы GPS/ГЛОНАСС [Текст]: монография / А. К. Синякин, А. В. Кошелев. — Новосибирск: СГГА, 2009. — 110 с.
  4. On Ground-Based GPS Tropospheric Delay Estimation /Schuler T., — Munich: University of the Bundeswehr, 2001. — 364 p.
  5. Бахвалов В. Б. Основні джерела помилок GPS-спостережень / В. Б. Бахвалов, В. В. Вишнівський, Р. М. Леоненко // Збірник наукових праць Військового інституту Київського національного університету імені Тараса Шевченка / Військовий інститут. — Київ, 2010., т. 25, pp. 378-381.
  6. Генике А. А., Побединский Г. Г. Глобальные спутниковые системы определения местоположения и их применение в геодезии. Изд. 2-е, перераб. и доп. -М.: Картгеоцентр, 2004. — 355 с.
  7. C. Satirapod and P. Chalermwattanachai, „Impact of different tropospheric models on GPS baseline accuracy: Case study in Thailand,“ Journal of Global Positioning Systems, vol. 4, no. 1-2, pp. 36-40, 2005.
  8. Joseph D. Dodo, Tahir A. Yakubu, Lazarus M. Ojigi and Samuel Y. Tsebeje Determination of the best-fit Tropospheric Delay Model on the Nigerian // FIG Working Week 2013, Environment for Sustainability. — Abuja, Nigeria: 6 — 10 May 2013.
  9. Dodo, Joe D. and Kamarudin, Mohd. The influence of different global tropospheric models on baseline precision in a local GPS network: Case of the Malaysian Johor RTKnet. // Exhibition on Geoinformation and International Symposium and Exhibition on Gps/Gnss. — Persada Johor INternational Convention Centre, Johor Bahru, Johor.: 5-7 November 2007.
  10. Р. П. Быстров, А. В. Соколов, Л. В. Федорова. Статистика дальности РЛС в гидрометеорах // М.: Журнал радиоэлектроники № 7. — 2012 — с. 19-21.
  11. Hamed M., Shaker A., Saad A., Mahmoud S. The Effect of Different Tropospheric Models and Ocean Tide on long Baselines // Conference: National Recearch Institute of Astronomy and Geophysic. — Egypt: 2010.
  12. А. А. Струков. Анализ точности определения векторов сверхдлинных базовых линий по результатам GPS-измерений.// ВЕСТНИК СГГА. — 2011. — Выпуск 2 (15). — С. 30-38.
  13. Горб А., Нежальский Р., Федоренко Р. Анализ точности программного обеспечения постобработки GPS-измерений в сети перманентных станций // Авиационно-космическая техника и технология.-2005.,-№ 3.-с. 70-76.
  14. Горб А. И, Федоренко Р. Н., Нежальский Р. В. Анализ программного обеспечения постобработки GPS-измерений в сети перманентных станций // Авиационно-космическая техника и технология.-2005.-с. 70-76..
  15. SКостецька Я. До питання точності довжин векторів, отриманих за результатами відносних GPS—спостережень двочастотними приймачами / Я. Костецька, Ю. Пішко // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва:, збірник наукових праць Західного геодезичного товариства УТГК — Львів: Видавництво Національного університету „Львівська політехніка“, 2009. — Випуск 1 (17). — С. 92–97.
  16. Костецька Я. Залежність точності визначення положення пунктів у супутникових мережах від тривалості сеансів спостережень / Я. Костецька, Ю. Пішко, Д. Гешель // Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва: збірник наукових праць Західного, геодезичного товариства УТГК /. — Львів: Видавництво Львівської політехніки, 2011. — Випуск 2 (22). — С. 96-102.
  17. Delcev Sinisa, Ogrizovic Vukan , Vasilic Violeta, Gucevic Jelena Accuracy Testing of RTK Service of the Permanent Station Network in the Republic of Serbia // FIG Working Week 2009, Surveyors Key Role in Accelerated Development . — Eilat, Israel: 3-8 May 2009.
  18. Rudolf W. Present Status of the Indonesian Permanent GPS Station Network and Development Matindas // Congress & Session: 7th FIG Regional Conference. — Subarya, Cecep : 2009.
  19. Асташенков Г. Г., Мазуров Б. Т., Зарзура Ф. Х. Влияние количества базовых станций на точность ГНСС-измерений // Известия высших учебных заведений. Геодезия и аэрофотосъемка / Из-во: Московский государственный университет геодезии и картографии "., — Москва, 2013 — № 3. — с. 62-63.
  20. Центр контролю навігаційного поля України. [Електронний ресурс] — Режим доступу до ресурсу: http://gcknp. com. ua.
  21. EUREF Permanent GNSS Network [Электронный ресурс] — Режим доступа: http://www. epncb. oma. be.
  22. Сервис EFT CORS [Электронной ресурс] — Режим доступа: http://eft-cors. ru.
  23. Большаков В. Д. Теория ошибок наблюдений: Учебник для вузов — 2-е изд., перераб. и дол. M., Недра, 1983. 223 с.
  24. Эконометрика: учебник для магистров / И. И. Елисеева и др.]; под ред. И. И. Елисеевой. — М.: Издательство Юрайт, 2014. — 453 с.
  25. Эконометрика: учебник/ Ю. В. Сажин, И. А. Иванова; Мордов. гос. ун-т. — Саранск, 2014. — 316 с.
  26. Эконометрика: конспект лекций / А. М. Варюхин, О. П. Панкина, А. В. Яковлева. — Москва: Юрайт, 2007. — 191 с.