ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
135
часто достигает 50%.  Величина ошибок из-за влияния реальной ионосферы составляет 20-
30 метров днем и 3-6 метров ночью. 
Ионосферная  поправка.
  Для  вычисления  ионосферной  поправки  были 
использованы измерения псевдодальностей на P-коде на двух частотах. В силу обратной 
пропорциональности ионосферной задержки квадрату несущей частоты, соотношение для 
вычисления ионосферной поправки псевдодальности имеет вид
 /2/:  
 
γ
−
−
=
Δ
1
1
p
n
ион
D
D
D
, 
 
где
2
2
2
1
)
6
.
1227
/
42
.
1575
(
)
/
(
=
=
f
f
γ
, 
1
f
  и 
2
f
-частоты  сигналов GPS L1 и L2, 
n
D , 
1
p
D  - 
измерения псевдодальностей на P-коде на частотах L1 и L2 соответственно.  
В  таблице 1 приведены  статистические  характеристики  ионосферной  поправки 
псевдодальности для каждой из обработанных GPS-станций.  
 
Таблица 1 - Ионосферная поправка псевдодальности /м/  
 
станция max среднее 
СКО 
bahr 160.60 12.29  4.82 
cena 58.85 8.59  2.99 
usno 23.64 3.45  2.62 
 
 
На  основе  проведенных  вычислительных  экспериментов  по  обработке  измерений 
GPS-станций  был  сделан  вывод:  ионосферная  поправка  псевдодальности  устраняет 
систематическую  ошибку  порядка 5 метров  в  определении  вектора  положения 
покоящегося наблюдателя.  
Тропосферные  задержки.  После  того,  как  сигналы GPS пересекли  ионосферу,  они 
входят  в  слой  атмосферы,  в  котором  происходят  все  погодные  явления.  Вариации 
плотности  водяных  паров  и  температуры  изменяют  показатель  преломления  и  могут 
влиять на скорость распространения радиоволн.
  
Тропосферная  поправка.
  В  отличие  от  ионосферной  задержки  тропосферная 
задержка  не  зависит  от  частоты  сигнала.  Для  вычисления  тропосферной  поправки 
измерения  псевдодальности  используют  измерения  температуры,  давление  воздуха  и 
парциального давления водяного пара. Эти измерения доступны в сети Internet для каждой 
базовой GPS станции.  
Соотношение  для  вычисления  тропосферной  поправки  псевдодальности  наземного 
наблюдателя имеет вид:  
θ
cos
)
/
93
ln(
10
0
2
0
⋅
⋅
=
Δ
−
N
N
D
троп
, 
 
⎥⎦
⎤
⎢⎣
⎡
⋅
+
⋅
=
T
B
P
T
N
4810
6
.
77
0
 /м/ , 
 
где 
T  - температура  в, )
15
.
273
)
(
)
(
(
0
0
0
+
= C
t
K
T
K
, 
P -  давление  воздуха  /мб/,  B - 
парциальное  давление  водяного  пара  /мб/,
δ
-  зенитный  угол  направления  наблюдателя 
космического аппарата. 
Пересчет  парциального  давления  водяного  пара  из % в  мб  проводится  по  формуле 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
136
100
/
%
B
B
B
ма
⋅
=
, где значение 
ма
B  приведено в таблице 2.  
В  таблице  3
  приведены  статистические  характеристики  величин  тропосферной 
поправки измерений псевдодальностей обработанных станций.  
Учет  тропосферной  поправки  псевдодальности  устраняет  систематическую  ошибку 
порядка 7-10 метров в определении вектора положения покоящегося наблюдателя.  
 
Таблица 2 – Значения  парциального давления водяного пара 
 
0
TC
 
-40 -35 -30 -25 -20 -15 -10  -5  0 
ма
B
 
0.19 0.35 0.51 0.88 1.25 2.05 2.86 4.48 6.11 
0
TC
 
+5  +10 +15 +20 +25 +30 +36 +40   
 
ма
B
 
8.72 12.3 17.0 23.4 32.9 42.4 58.1 73.8   
 
 
Таблица 3 - Тропосферная поправка псевдодальности /м/  
 
Станция                 
max 
среднее 
СКО                   
bahr 16.65 5.58 2.97 
cena 28.26 6.72 3.95 
usno 42.10 5.90 4.18 
 
Многолучевой  прием (multypath). Многолучевость  распространения  радиоволн 
возникает  при  расщеплении  сигнала  на  обыкновенную  и  необыкновенную  компоненты 
(их  скорость  распространения  в  ионосфере  различна)  и  из-за  наличия  в  ионосфере 
масштабных  неоднородностей.  А  также  ошибки  “многолучевости”  появляются,  когда 
сигналы,  передаваемые  со  спутника,  многократно  переотражаются  от  окружающих 
предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник. 
Намеренное 
загрубление 
сигнала GPS. Подразумеваются 
погрешности, 
обусловленные  режимом  селективного  доступа (Selective availability, S/A). Используя 
данный  режим,  Министерство  Обороны  США  намерено  снижает  точность 
местоопределения  для  гражданских  лиц,  т.е.  формируются  ошибки  искусственного 
происхождения.  Такими  ошибками  являются  неверные  данные  об  орбите  спутника  и 
искажения показания его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. 
Размер ошибок режима S/A – 30-100 метров. 
Геометрия  и  число  видимых  спутников.  Определяется  взаимным  расположением 
спутников  в  каждый  момент  времени.
  Идеальной  является  такая  геометрия  спутников, 
когда  углы  между  направлениями  на  них  большие.  Когда  спутники  располагаются  на 
одной  линии  или  близко  к  ней,  геометрия  считается  плохой.  Ошибки  местоопределения 
могут  достигать  в  среднем 50-70 метров.  Спутниковая  геометрия  измеряется  фактором 
PDOP (Position Dilution of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует 
PDOP=1. Обычно при определении координат выбирается геометрия, PDOP для которой 
несильно больше 1, что значительно снижает погрешности местоопределения.   
Эфемеридные  погрешности.  Такие  ошибки  обусловлены  расхождением  между 
фактическим  положением GPS-спутника  и  его  расчетным  положением,  которое 
устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника.      
Ошибки  аппаратуры  приемника
.  Часть  погрешностей  обусловлена    ошибками  в 
работе  измерительной  аппаратуры.  Например,  компьютер  приемника  может  округлить 
математическую  операцию,  или  электрические  помехи  могут  привести  к  ошибочной 
обработке  псевдослучайных  кодов.  Встроенные  часы  приемника  уступают  в  точности 
атомным часам спутник и дают незначительный уход. 
Некоторые  из  погрешностей  легко  учесть,  и  современные  приемные  станции 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
137
снабжены  аппаратурой  и  программным  обеспечением,  позволяющим  вносить 
соответствующие поправки в расчет координат.  
Наиболее  значительное  уменьшение  точности  определения  координат  происходит 
при  включении  режима S/A. Раньше  влияние S/A зашумления  почти  полностью 
устранялось с использованием дифференциальной коррекции. В настоящее время данный 
режим вообще не используется и не влияет на точность местоопределения. 
Другой  фактор,  вносящий  весомую  погрешность – искажение  сигнала  при 
прохождении  ионосферы.  Корректировать  ионосферные  ошибки  гораздо  сложнее. 
Заряженные  частицы  существенно  влияют  на  скорость  распространения  радиосигналов 
GPS,  что  делает  неточными  вычисления  расстояний  до  спутников.  В  настоящее  время 
существуют два метода сведения ионосферной ошибки к минимуму.  
Первый  способ  состоит  в  предсказании  типичного  изменения  скорости  в  обычный 
день,  при  средних  ионосферных  условиях,  с  последующим  вводом  поправки  во  все 
измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным. 
Другой  способ  состоит  в  сравнении  скоростей  распространения  двух  сигналов, 
имеющих разные частоты несущих колебаний. Если сравнить время распространения двух 
разночастотных  компонент  сигнала GPS, то  можно  выяснить,  какое  замедление  имело 
место.  Этот  метод  корректировки  достаточно  сложен  и  используется  только  в  наиболее 
совершенных,  так  называемых  “двухчастотных”  приемниках GPS. Стоимость  таких 
приемников превышает 10 тыс. долларов, а в комплекте базовой станции GPS (приемник, 
антенна, кабели, программное обеспечение) доходит до 25-30 тыс. долларов, и, конечно, 
не каждая организация может позволить себе столь дорогостоящее оборудование.  
Мониторинг  функционирования GPS ведется  постоянно.  При  проведении 
исследований  месячного  изменения  среднего  квадратичного  отклонения  (СКО)  для 
спутниковых  измерений  координат  и  абсолютной  высоты  объекта,  выполненных  на 
пункте  слежения  ЦУП-М  Российской  Федерации,  было  установлено,  что  значения 
абсолютной  высоты  пункта  наблюдения  варьируют  в  большей  степени,  чем  координаты 
широты и долготы. Поскольку при проведении исследований режим селективного доступа 
еще не был отключен, СКО для координат и высоты имеют большие значения. 
Совместно  с  СКТБ  “Гранит” (Республика  Казахстан)  проведен  цикл  измерений  с 
целью выяснения причин, приводящих к систематическому превышению СКО высоты над 
СКО плановых координат. 
Днем  под  действием  солнечной  радиации  в  ионосфере  растет  концентрация 
заряженных частиц, что приводит к задержке распространения радиоволны. Расстояние от 
спутника  до  приемной  станции  рассчитывается  на  основе  информации  о  времени 
движения сигнала от источника до приемника. Следовательно, путь, пройденный волной 
днем  больше,  чем  ночью,  т.к.  ночью  полное  электронное  содержание  в  ионосфере 
минимально.  Изменение  расстояний    ведет  к  искажению  значений  искомых  координат. 
Было  сделано  предположение,  что  повышение  значения  СКО  по  высоте  связано  с 
наличием систематической ошибки из-за суточного изменения уровня ионизации среды на 
пути распространения радиосигналов.  
Повышение  уровня  ионизации  должно  в  первую  очередь  сказываться  на  ошибках 
измерения высоты объекта, так как спутники, как правило, располагаются в разных частях 
полусферы  и  ошибки  в  плановых  координатах  (долгота  и  широта)  частично 
компенсируются, а ошибки по высоте – нет.  
Сбор  информации  осуществлялся  с  помощью  одночастотного  приемника GPS 35-
HVS  фирмы Garmin через  каждую  секунду  в  течение 3,5 суток.  На  основе  собранной 
информации о координатах с помощью специальной программы Statistic было рассчитано 
среднее  квадратичное  отклонение  для  широты,  долготы  и  высоты  приемной  станции. 
Отклонения для долготы и широты получились приблизительно одинаковыми (от 1 до 3 
метров), а СКО по высоте, как и предполагалось, превысило СКО для координат (от 3 до 7 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
138
метров).  
Для  выявления  суточного  хода  ошибки  измерений  координат  было  проведено 
почасовое  усреднение  принятых  данных  и  построены  графики  отклонений  (в  метрах)  от 
общего  среднего  за  весь  период  измерений    для  плановых  координат  и  высоты.  Данные 
графики изображены ниже на рисунках 1, 2, 3.  
 
 
 
Рисунок 1 – График отклонений от среднего за период наблюдений для высоты 
 
 
Рисунок 2 – График отклонений от среднего за период наблюдений для широты 
 
 
Рисунок 3 – График отклонений от среднего за период наблюдений для долготы 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
139
Приведенные  рисунки  еще  раз  подтверждают  факт  наличия  более  значительных 
ошибок  по  высоте  по  сравнению  с  ошибками  плановых  координат.  Также  явно  видна 
зависимость отклонений координат (ОК) от их общего среднего значения за весь период 
от времени суток. Суточная зависимость ошибки по высоте явно выражена на графике 1. 
Причем,  согласно  графику,  дневные  ошибки  превышают  ночные.  Ночью  погрешность 
колеблется от 1 до 7 метров, днем ее значения достигают 10 метров и больше (см. график).  
 
Выводы 
Таким  образом,  чем  выше  электронная  концентрация  в  ионосфере,  тем  больше 
ошибка  местоопределения.  Следовательно,  наиболее  точными  значениями  координат 
следует считать координаты, измеренные в ночное время суток, когда полное электронное 
содержание в ионосфере минимально.  
Результаты проведенных исследований необходимо учитывать при использовании 
навигационных  приемников GPS для  привязки  результатов  диагностирования  (и  их 
корректировки) состояния земляного полотна железнодорожного пути, осуществленного с 
помощью  расположенного  на  подвижном  составе  георадара,  либо  других 
георадиолокационных устройств, осуществляющих геозондирование поверхностей. 
   
ЛИТЕРАТУРА 
 
1 Afraimovich E. L., Boitman O. N., Zhovty E.I., Kalikhman A.D., and Pirog T.G.. Dynamics and 
anisotropy of traveling ionospheric disturbances as deduced from transionospheric sounding data. Radio 
Science, 1999, V. 34, N 2, р. 477 – 487.  
2  Тучин  Д.А.  Кодовые  измерения  псевдодальности  системы GPS. Модель  ошибок  и 
априорная оценка точности определения вектора положения. М., Радио и связь, 2002, 262 с. 
 
 
УДК  625.174:556.15 
 
 
Иванов Андрей Александрович -  к.т.н., и.о. доцента (Алматы, КазАТК) 
 
ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ СПОСОБ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ 
МЕСТОНАХОЖДЕНИЯ ПОДВИЖНОЙ ЕДИНИЦЫ – КАК ОДИН ИЗ СПОСОБОВ 
ПРИВЯЗКИ РЕЗУЛЬТАТОВ ЗОНДИРОВАНИЯ СОСТОЯНИЯ ЗЕМЛЯНОГО 
ПОЛОТНА К ЖЕЛЕЗНОДОРОЖНОМУ ПУТИ 
 
Динамичное  развитие  экономики  Казахстана,  увеличение  товарооборота,  а  также 
предоставление  наших  транспортных  артерий  для  транзитного  перемещения  товаров  и 
грузов,  с учетом  того,  что    в  республике  основной  грузопоток  осуществляется  железной 
дорогой, ставит перед железнодорожным транспортом новые задачи, усовершенствование 
всех  звеньев  системы.  Немаловажными  и  наиболее  актуальными  вопросами  в  решении 
этих задач отводится повышению безопасности железнодорожных коммуникаций. 
В  современных  условиях  эксплуатации  железных  дорог  земляное  полотно 
испытывает  интенсивное  воздействие  нагрузок  от  подвижного  состава.  В  сочетании  с 
влиянием множества техногенных, погодно-климатических и геологических факторов это 
приводит  к  возникновению  в  земляном  полотне  деформаций,  в  том  числе  создающих 
угрозу  безопасности  движения  поездов.  Применяемые,  в  настоящее  время  на 
железнодорожном  транспорте,  средства  контроля  и  диагностирования  размещаются  в 
отдельных  вагонах,  требуют  многократного  проезда  испытываемых  трасс,  сокращают 
полезную нагрузку поездных составов. 
Наиболее  перспективным  способом  является  геозондирование  состояния 
железнодорожного  пути.  От  всех  вышеприведенных  недостатков  освобожден  георадар - 

ҚККА Хабаршысы № 4 (53), 2008 
 
 
 
140
лёгкий  мобильный  прибор  с  аккумуляторным  питанием  и  служащий  для  обнаружения 
точечных  и  протяжённых  металлических  и  неметаллических  объектов  в  различных 
неметаллических  средах  (грунт,  вода,  строительные  конструкции,  дорожный  «пирог»  и 
т.п.).  Принцип  действия  георадара  основан  на  методе  радиолокации:  излучение  в 
зондируемую  среду  сверхширокополосных  электромагнитных  импульсов (СШС-UWB)  и 
регистрация  отражённых  сигналов  от  неоднородностей  и  объектов.  Для  георадара 
объекты  могут  представлять  собой  не  только  предметы,  скрытые  в  толще  зондируемой 
среды,  но  и  свойства  этой  среды - слои,  локальные  разуплотнения,  области 
потревоженного  грунта,  скрытые  трещины  в  строительных  конструкциях,  зоны 
повышенного  увлажнения.  Использование  георадаров  для  нужд  железнодорожного 
транспорта является новым направлением в развитии СШС-технологий. 
В  последние  годы,  большую  популярность  в  мире,  завоевали  спутниковые 
навигационные  системы  или  системы  глобального  позиционирования  (определения 
точного  местоположения).  В  настоящее  время  рынок  спутниковой  навигации  поделен 
между  американской  системой GPS и  российской  ГЛОНАСС.  Для  привязки  результатов 
геозондирования  состояния  земляного  полотна  к  местности,  а  также  для  построения 
трёхмерных  георадарных  изображений  существуют  датчики  перемещения  различного 
вида.  Для  привязки  координат  возможно  предусмотреть  использование  приёмников 
спутниковых навигационных систем, расположенных на подвижном составе.  
Предложенный  в  данной  статье  способ  относится  к  области  радиотехники,  в 
частности к радионавигационным способам определения, и может быть использован для 
определения  с  повышенной  точностью  местоположения  аппаратуры  потребителей, 
использующих  режим  дифференциальных  поправок,  которую  возможно  использовать  в 
составе систем диагностирования железнодорожного пути. 
Известен  способ  для  определения  положения  с  использованием  искусственных 
спутников  глобальной  системы  местоопределения /1/, в  котором  принятый  на  антенну 
приемника от искусственных спутников глобальной системы местоопределения сигнал L1 
поступает  на  каскад  предварительного  усиления,  на  выходе  которого  формируется 
радиочастотный  (РЧ)  сигнал,  который  подается  на  смеситель  для  сжатия  РЧ-сигнала  с 
использованием  псевдослучайного  шумового  кода,  формируемого    генератором  кодов. 
Генератором  псевдослучайных  кодов  управляет  микропроцессор  таким  образом,  что 
последовательно  формируемые  коды  соответствуют  спутниковым  кодам,  используемым 
для модуляции сигнала L1, излучаемого спутником.  
Перестройка  генератора  кодов  производится  до  момента  появления  на  выходе 
смесителя сигнала, свидетельствующего о корреляции формируемого кода и РЧ-сигнала. 
Выходной  сигнал  смесителя  подается  на  детектор,  который  управляет  определенными 
подпрограммами,  выполняемыми  микропроцессором.  При  обнаружении  корреляции  РЧ-
сигнала  и  псевдошумового  кода  выполнение  программы  прерывается  и  микропроцессор 
выдает информацию о псевдодальности.  
Информация  о  псевдодальности  передается  на  наземную  станцию,  определяющую 
местоположение приемника. Однако при определении координат таким способом нельзя 
отделить  ошибки  измерения  псевдодальности,  связанные  с  внешней  средой,  от 
внутренних  ошибок  приемника.  Точность  вычисления  координат  этим  способом  не 
достаточно высока. 
При  использовании  дифференциального  режима  аппаратура  потребителей 
корректирует  посредством  дополнительной  навигационной  информации,  получаемой  от 
референц-станций,  результаты  навигационных  определений,  при  котором  определение 
координат  потребителей  навигационной  информации  происходит  по  наблюдениям  не 
менее  четырех  навигационных  космических  аппаратов.  При  этом  окончательная 
погрешность местоопределения аппаратуры потребителя уменьшается.  
В известном дифференциальном способе /2/

жүктеу/скачать 5,31 Mb.

Достарыңызбен бөлісу: