Ошибки ГНСС

01.03.2023

и способы их уменьшения при измерениях и обработке

Влияние окружающей среды. Общие сведения.

1. Измеренные приемниками фазовые и кодовые дальности до навигационных спутников содержат в себе атмосферные задержки. Составляющие задержек, которые вызваны свободными электронами в ионосфере, большей частью исключаются с помощью комбинирования измерений на двух частотах. Оставшаяся же часть задержек, называемых по устоявшейся терминологии тропосферными, обусловлена рефракцией на сухих газах (азот и кислород) и водяном паре. Основную неопределенность в вычисление этих величин вносит, главным образом, наше незнание количества водяного пара в столбе тропосферы в направлении источника. А именно ошибка вычисления задержки в тропосфере ограничивает точность современных систем, таких как GPS и РСДБ. Наблюдения на этих системах проводятся в сантиметровом и дециметровом диапазонах и часто на больших зенитных углах. Для достижения высокой точности наблюдений используются СВЧ-радиометры, измеряющие содержание водяного пара вдоль пути распространения радиоволны по яркостной температуре неба на частоте 22,235 ГГц. Несмотря на то, что СВЧ-радиометры достаточно дорогие приборы, сейчас они устанавливаются не только рядом с радиотелескопами (РСДБ), но и рядом с GPS-антеннами.

2. Любые препятствия вдоль пути распространения сигнала могут ограничивать мощность сигнала. Более того, даже при отсутствии препятствий сигнал подвергается ослаблению обратно пропорционально квадрату расстояния. Это так называемые потери в свободном пространстве. Кроме прямого сигнала, приемник часто получает сигналы, отраженные от поверхности, которые накладываются на прямой сигнал (многопутность). Поэтому полные потери сигнала зависят от многих факторов, включая характеристики земного отражения, свойств местности, наличия зданий и других построек. Дополнительные потери мощности сигнала происходят в антенных кабелях. Будет сигнал обнаружен или нет – зависит от чувствительности приемника. К примеру, успех кинематических съемок в реальном времени РТК полностью зависит от надежности линий связи. В дополнение к возможным нарушениям связи, вызванным препятствиями, возможна потеря сигнала из-за интерференции с сигналами от других передатчиков, работающих на близких частотах. Геодезист может обнаружить такое явление по миганию индикатора радиомодема, когда передающая станция не работает.

Двухчастотные фазовые приемники наиболее полно обеспечивают всё разнообразие возможностей спутниковой аппаратуры и дают наиболее точные результаты на расстояниях до нескольких тысяч километров. Но наличие двух частот обеспечивает точный учет влияния только ионосферы. Следует заметить, что учет реального состояния атмосферы необходим тогда, когда требуется построить геодезическую сеть с точностью 10^-6 и лучше. Для менее точных сетей практически всегда достаточно использовать модели поправок для стандартной тропосферы, и только в районах с большими перепадами высот (более 100 м) могут потребоваться метеорологические данные.

3. Нормальные погодныеусловия не оказывают негативного воздействия на GPS сигналы и оборудование. Однако, лёд или снег, налипшие на верхнюю часть антенны, могут блокировать сигналы. При холодной погоде уменьшается энергетическая возможность батарей, так что необходимо иметь в запасе дополнительные источники питания. Молния может быть опасна, если антенна оказалась самой высокой точкой в округе, в случае грозы лучше закончить сеанс, чтобы избежать возможности нанесения ущерба бригаде или оборудованию.

Ошибки аппаратуры

Ошибка спутниковых часов — Если работы выполняются в режиме РТК, данная ошибка исключается автоматически. При статике она значительна только при абсолютных определениях, при относительных практически исключается.

Ошибки эфемерид — Одним из способов компенсации ошибок спутниковых орбит является загрузка (после проведения измерений) точной эфемеридной информации из систем SBAS или PPP. Другой способ компенсации ошибок спутниковой орбиты — использование приемника в режиме дифференциальной коррекции или RTK.

Ионосферные и тропосферные задержки — Ионосферные и тропосферные условия очень похожи в пределах отдельной области, поэтому спутниковые сигналы, поступающие на приемники базовой станции и подвижные приемники, имеют очень похожую задержку. Это позволяет компенсировать ионосферную задержку для коротких и средних линий дифференциальными методами ГНСС, работой от нескольких навигационных систем, и RTK.

Многолучевость — Применительно к спутниковым измерениям под многолучевостью принято понимать такое распространение радиосигналов, при котором упомянутые сигналы достигают антенны спутникового приемника не только по прямому пути от спутника (псевдодальности), но и по ломаному. Образуется ломаный путь за счет отражений сигнала от различного рода объектов, окружающих приёмник, например, зданий разной этажности, крупных объектов и водоемов. Именно поэтому в городской застройке спутниковые геодезические измерения следует проводить с особой аккуратностью. При желании получить действительно качественные измерения необходимо обязательно проверять снятые измерения, выполняя инициализацию на точке повторно, и контролировать полученные измерения.

Инструментальная ошибка — у любого ГНСС-приемника есть метрологическая характеристика «допустимая СКП измерений длины базиса», которая линейно влияет на измерения. На сложных объектах рекомендуется работать от ближайшей станции или устанавливать свою мобильную базовую станцию (переходную точку), максимально сокращая длину базовой линии.

Геометрические факторы — геометрическое расположение спутников в том виде, в котором они представлены приёмнику в конкретном месте и в конкретное время, влияет на точность расчетов местоположения и времени. За качество геометрии спутников отвечает показатель PDOP – это коэффициент, показывающий снижение точности определения местоположения приемника относительно геометрии расположения спутников на небосводе. Чем меньше значение PDOP, тем точнее результат вычисления позиции. PDOP возрастает с увеличением широты. Из этого делается естественный вывод, что в высоких широтах для достижения такой же точности, как в низких широтах, требуется времени почти в два раза больше.

Чтобы улучшить качество решения, полезно иметь некоторый резерв по высоте, скажем, наблюдать с углом отсечки 10° (до 5°), а обработку делать с углом 15°. В случае необходимости можно попытаться делать обработку и на 20°, и на 10° (и на 5°). Дополнительные спутники позволяют уменьшить продолжительность сеанса примерно на 20%. Эти цифры могут не оставаться слишком постоянными, однако они гарантируют правильное разрешение неоднозначности и, таким образом, высокие точности.

У геодезиста есть возможность попробовать снизить показатель PDOP, выключив ряд спутниковых группировок из общего решения и продолжить работу, либо окончательно принять решение о невозможности проведения качественных измерений. Показатель PDOP (должен быть < 7) необходимо контролировать дó и во время съёмки.

GPS спуфинг – это атака, которая пытается «обмануть» ГНСС-приёмник, передавая в широком диапазоне вещания более мощный сигнал, чем полученный от спутников системы GPS, такой, чтобы быть похожим на ряд нормальных спутников GPS. Где вероятнее всего можно встретиться с этим явлением? — Спецобъекты; парковки дальнобойщиков; трассы. Что делать в ситуации, когда очевидно влияние GPS-спуфинга? — В таком случае не рекомендуется работать спутниковым приёмником, и лучшим вариантом является выполнение измерений другим методом, например традиционной тахеометрической съемкой.

Описанные выше примеры возможных ошибок, влияющих на качество измерений, это только верхушка айсберга. Несмотря на технологический прорыв в сфере спутникового оборудования и его доступность, специалисту необходимо всегда помнить одно из основных правил геодезии – обязательный контроль своих измерений.

Снижение уязвимости радионавигационных систем РНС.

Радионавигационные системы в процессе эксплуатации подвергаются воздействию различных дестабилизирующих факторов, которые могут снижать показатели качества функционирования системы и, в наиболее неблагоприятном случае, переводить её в состояние неработоспособности. Уязвимость РНС определяется следующими факторами:

— изменением условий распространения радиоволн;

−  изменением состояния ионосферы;

−  влиянием непреднамеренных и преднамеренных помех;

−  возникновение системных отказов;

−  физическое поражение элементов системы;

−  киберугрозы;

−  прочие факторы.

1) Современные  РНС функционируют  в  различных  диапазонах  радиоволн, которые характеризуются вариативными условиями распространения. В  общем  случае,  условия  распространения  радиоволн  подвержены суточным и сезонным изменениям, зависят от гелиогеофизических возмущений состояния  атмосферы  Земли  и  широтного  положения  трассы  прохождения радиоволн. Распространение радиоволн в определенной среде влечет изменение следующих параметров электромагнитных колебаний:

− амплитуды поля волны (обычно уменьшение её (амплитуды) за счёт рассеяния и поглощения);

−  скорости и направления распространения;

−  плоскости поляризации (поворот плоскости – эффект Фарадея);

−  задержки по времени и фазе;

−  формы передаваемых сигналов (импульсов).

2) В окружающей Землю атмосфере различают три области, оказывающие влияние на распространение радиоволн: тропосферу, стратосферу и ионосферу (отдельно учитываются условия Ближнего Космоса, по которому перемещаются навигационные спутники – до 22000 км). Границы  между этими областями выражены не резко и зависят от времени года и географического места. Применение упрощенной теоретической модели ионосферы с небольшим набором коэффициентов, передаваемых спутниками ГНСС для вычисления ионосферных поправок на стороне приёмника, уже примерно вдвое уменьшает ошибки определения псевдодальности, вызываемые ионосферными задержками.

Влияние быстрых и продолжительных ионосферных задержек на ГНСС существенно снижается за счет использования метода двухчастотных измерений. Однако в условиях магнитных бурь доступность и точность позиционирования может оказаться неприемлемой для практического применения даже при использовании двухчастотной аппаратуры. Причём, в условиях геомагнитных возмущений ионосферы срывы сопровождения сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) по фазе и коду на второй (вспомогательной) частоте ГНСС наблюдаются значительно чаще, чем на первой. Поэтому для уменьшения ошибок рекомендуют переходить от двухчастотной обработки к одночастотной.

Изменения состояния ионосферы (в особенности в авроральной (полярной) зоне) под действием гелиогеофизических возмущений должны соответствующим образом контролироваться, так как эти изменения могут привести к существенным ошибкам определения местоположения и времени, в особенности при тенденции увеличения точности и быстродействия определения местоположения; результаты такого контроля должны использоваться провайдерами и потребителями навигационных услуг.

3) Преднамеренные и непреднамеренные помехи представляют наибольшую угрозу для навигационной аппаратуры потребителей ГНСС, поскольку мощность принимаемых сигналов очень мала. Воздействия помех могут быть по всем каналам: ГЛОНАСС, GPS, ГАЛИЛЕО и БЭЙДОУ, EGNOS, MSAS, СДКМ и локальных ДПС типа GBAS. В этой ситуации целесообразно использовать комбинацию методов, способов и путей снижения уязвимости. Вместе с этим необходимы законодательные меры в отношении помех искусственного происхождения. Для системы фундаментального обеспечения космических радионавигационных систем наибольшую угрозу представляет рост уровня радиопомех от аппаратуры среднеполосных и широкополосных систем сотовой радиосвязи в местах расположения средств РСДБ. Контроль уровня радиопомех в местах расположения национальных средств РСДБ является необходимой мерой, обеспечивающей работоспособность системы фундаментального обеспечения космических радионавигационных систем.

4) Перемежающиеся и необратимые системные отказы, вызванные старением  компонентной базы радиоэлектронных средств (РЭС), являются объективным  и неизбежным фактором, в борьбе с которым должна применяться программа обеспечения надежности РЭС. В качестве одного из важнейших методов защиты от помех системе ГЛОНАСС рассматривается расширение состава частот сигналов. При этом целесообразна интеграция систем ГЛОНАСС, GPS и др., а также наземных систем на уровне навигационной аппаратуры потребителей (НАП). Другой метод предполагает реализацию средств защиты от помех в бортовой спутниковой аппаратуре и в средствах функциональных дополнений. Это обусловлено тем, что наземные средства могут быть недостаточно надежными и оперативными. Метод связан с существенным изменением взглядов на спутниковую аппаратуру как на нечто абсолютно надежное и «неподвижное», и предполагает:

− создание блока анализа электромагнитной обстановки и использование внутренних обнаружителей помех;

− создание специальных схем и алгоритмов подавления помех (фильтры, развязки, и т. д.);

− использование алгоритмов сглаживания кодовых измерений с привлечением измерений фазы несущей;

− использование управляемой пространственной избирательности синтезируемых антенных систем, в том числе с «нулями» в направлении на помеху.

Особенности измерений в сетях

На коротких базовых линиях влияние ионосферы и тропосферы исключается уверенно. В периоды минимума солнечной активности одночастотные приемники могут давать фиксированное решение на расстояниях до 50 и даже 100 км, в то время как в максимум солнечной активности с трудом дают решение на расстоянии 10 км. Ошибки тропосферы перестают быть коррелированными с расстояний около 15 км. В среднем можно считать, что под короткими расстояниями понимаются обычные для триангуляции и полигонометрии расстояния в пределах до 15 – 25 км. По другому определению, пределом для коротких расстояний является то расстояние, на котором становится ощутимым расхождение между результатами одночастотных и двухчастотных измерений. Диапазон расстояний для средних базовых линий предполагается примерно от 20 – 50 до 1 000 км. Пределом расстояний для длинных базовых линий является возможность выполнения синхронных измерений: чем длиннее расстояние между пунктами, тем меньше наблюдается общих спутников. Практическим пределом может быть расстояние в 5 – 7 тыс. км. Когда в сети есть и короткие и длинные базовые линии, совокупность коротких линий будет получаться с более высоким весом в уравнивании сети. Это будет приводить к неравноточной сети пунктов. Поэтому длинные базовые линии следует находить из двухчастотных измерений и с использованием точных эфемерид. Тогда их статистические оценки будут сравнимы с оценками коротких базовых линий. Правда, есть мнение, что при использовании точных эфемерид и научного программного обеспечения точность определения векторов базовых линий слабо зависит от расстояния, есть зависимость только от продолжительности наблюдений. Иногда короткие базовые линии специально вставляются в сеть, состоящую из длинных линий (тысячи километров), чтобы уверенно разрешать неоднозначности фазы, используя метод bootstrapping, в котором вначале решаются короткие линии, а затем делается переход к длинным линиям.

Приёмы обработки для улучшения решений базовых линий.

Главной причиной, которая приводит к неудаче при разрешении целочисленных неоднозначностей начальных фазовых отсчетов, является повышенный уровень ошибок (шумов) в измерениях, в некоторой части исходных данных, или неудачная геометрия (большие значения PDOP). Фирменные программы (СПО) предоставляют обработчику следующие возможные меры улучшения решений.

1. Удаление из обработки спутников с короткими дугами. Эти спутники, только что вошедшие в зону видимости или уходящие из неё, имеют высоту, близкую к углу отсечки, и результаты их измерений в наибольшей степени страдают от низких значений коэффициента усиления антенны на диаграмме направленности, а также подвержены возмущениям атмосферы. Эта мера равносильна удалению из обработки неизвестных, обеспеченных малым объемом измерений. Однако при этом стоит проверить, не приведет ли удаление спутника из обработки к фатальному изменению геометрических факторов.

2. Увеличение угла отсечки по высоте. Эта мера аналогична предыдущей, но касается удаления наиболее шумной части данных у всех спутников, имеющих низкое отношение «сигнал/шум». Однако нужно иметь в виду, что удаление части наблюдений, пусть даже более шумных, приводит к ухудшению обусловленности системы уравнений, и может приводить к ещё более неудачным результатам. Подобным образом, уменьшение угла отсечки по высоте и, следовательно, некоторое увеличение объема измерений, может улучшить качество решения. Поэтому полезно иметь некоторый резерв по высоте, скажем, наблюдать с углом отсечки 10, а обработку делать с углом 15. В случае необходимости можно попытаться делать обработку и на 20, и на 10 (см. выше «Ошибки аппаратуры»).

3. Удаление из обработки спутников с большим количеством потерь (срывов) циклов. Потери циклов чаще всего происходят из-за каких-либо препятствий, например, деревьев, а где препятствия – там и многопутность. Нужно заметить, что не всегда наличие препятствий приводит к потерям циклов, но это определенно искажает данные.

4. Переход от двухчастотной обработки к одночастотной. Сигнал на второй частоте имеет отношение «сигнал/шум» ниже, чем на первой частоте. Правда, это не является лучшим решением, так как приводит к увеличению влияния ионосферы, но оправдано на коротких базовых линиях.

5. Попытаться сделать обработку, назначив другой опорный спутник, если это допускает программа (СПО).

6. Обработка с точными априорными (исходными) координатами начала базовой линии. Иногда это помогает при большом числе потерь счета циклов.

7. Обработка с точными эфемеридами (метод РРР).

8. Обработка по другой программе. Для этого потребуется преобразование файла наблюдений в RINEX формат. Известно, что в программах разных фирм заложены различные приемы разрешения неоднозначностей, и нередко бывает, что по одной программе получается плавающее решение, а по другой выводится фиксированное решение с прекрасными характеристиками.

ИТОГО: для повышения точности и достоверности результатов позиционирования следует применять следующие методические приемы:

1. ослабление влияния помехообразующих факторов, в первую очередь местных помех, прохождению радиосигналов наблюдаемых навигационных спутников, и эффекта многопутности, что означает: отсутствие преград для прохождения сигналов ГНСС (таких как: здания; сооружения; конструкции; деревья, кусты и пр); отсутствие находящихся на расстоянии до 50 м от спутниковой антенны СГА объектов (таких, как: крупные сооружения и предметы, особенно металлические), отражающих и искажающих сигналы ГНСС; отсутствие находящихся на расстоянии до 50 м от спутниковой антенны СГА источников радиоизлучения и магнитного поля, как то: электрическое оборудование, электродвигатели, электрораспределительные щиты, антенны мобильной связи, подвесные высоковольтные линии электропередач, а также мощные радиопередающие устройства на удалении до 1 км;

2. увеличение количества одновременно наблюдаемых навигационных спутников (уменьшение угла отсечки);

3. увеличение количества и продолжительности сеансов наблюдений на определяемом объекте;

4. увеличение количества базовых линий, измеряемых с одного (определяемого) пункта;

5. уменьшение длин линий привязки за счёт создания переходных точек;

6. синхронизация наблюдений на смежных пунктах;

7. контролировать показатель PDOP (должен быть < 7) дó и во время съёмки;

8. перейти от двухчастотной обработки к одночастотной. Сигнал на второй частоте имеет отношение «сигнал/шум» ниже, чем на первой частоте. Правда, это приводит к увеличению влияния ионосферы, но оправдано на коротких базовых линиях (до 50 км);

9. удаление из обработки «плохих» спутников — с большим количеством потерь (срывов) циклов, и спутников с короткими дугами (близкими к углу отсечки);

10. обработка измерительной информации с использованием более точных  эфемерид наблюдаемых навигационных спутников (РРР-метод), а также возможно более точных значений координат исходных пунктов (при относительном позиционировании); применение разных программ обработки;

11. возможно более полный учет корреляционных зависимостей при обработке комбинированных измерений, в частности, вторых разностей кодовых псевдодальностей;

12. повышение точности центрирования, ориентирования и определения высоты фазового центра антенны;

13. повышение тщательности планирования наблюдений на определяемых объектах;

14. всегда помнить одно из основных правил геодезии – обязательный контроль своих измерений.

Литература

0. РАДИОНАВИГАЦИОННЫЙ ПЛАН РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ, Москва, 2019
1. Антонович К.М., «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии», т.1, 2005г, М., Картгеоцентр
2. Антонович К.М., «Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии», т.2, 2006г, М., Картгеоцентр
3. СТО Роскартография 3.3-2020. ПРОЦЕССЫ И МЕТОДЫ СПУТНИКОВЫХ ОПРЕДЕЛЕНИЙ ПРИ ВЫПОЛНЕНИИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ РАБОТ В ГСК-2011. Основные требования.