Stations de référence GNSS

Original: http://geodesy.hartrao.ac.za/site/en/geodesy-equipment/gnss-reference-stations.html

 

Le Global Navigation Satellite System (GNSS) est un réseau de systèmes satellitaires de positionnement et de navigation sur le sol, dans l’air ou dans l’orbite. Mis à part le segment spatial, chaque système dispose également d’un segment de commande, responsable de l’entretien et du contrôle de qualité du système, et un segment terrestre comprenant des stations de poursuite au sol. Actuellement GNSS comprend quatre systèmes:

 

  •      Global Positioning System (GPS), États-Unis d’Amérique
  •      En orbite autour Global Navigation Satellite System (GLONASS), Fédération de Russie
  •      Galileo, la Commission européenne
  •      Beidou (traduit par «Compass»), la République populaire de Chine

 

IGS
Le Service international GNSS (IGS), anciennement l’International GPS Service, est une fédération volontaire de plus de 200 agences à travers le monde qui mettent en commun des ressources et des données GPS et GLONASS stations permanentes pour générer GPS et GLONASS produits précis. L’IGS s’est engagé à fournir les données et les produits de haute qualité comme la norme pour les systèmes de navigation globale par satellite (GNSS) à l’appui de la recherche de la Terre de la science, des applications multidisciplinaires, et de l’éducation. Vous pouvez penser de l’IGS comme la communauté de GPS civil international le plus élevé de précision. Source: Le Service International GNSS

Le projet GNSS

Le projet GNSS de géodésie spatiale Programme de HartRAO vise à densifier le réseau de terrain GNSS dans et autour de l’Afrique australe et de promouvoir l’utilité des données GNSS grâce à des produits de recherche et de renforcement des capacités.

Le projet GNSS est activement impliqué dans le renforcement des capacités en Afrique australe:

 

  •      Étudiants des cycles supérieurs d’entreprendre des recherches dans des domaines liés au GNSS.
  •      Cours sur les techniques de traitement des données GNSS et stations installations sont présentées.

 

Recherche au sein du projet de GNSS se concentre sur les thèmes suivants:
· Le calcul de la teneur troposphérique précipitable de la vapeur d’eau (VOP) et ionosphérique contenu électronique total (TEC) de la réfraction des signaux GNSS.
· La géodynamique et la croûte déformation des plaques tectoniques africaines.

Le projet GNSS, au nom de HartRAO, sert de centre de données régionale pour l’IGS. La responsabilité de l’entretien et l’exploitation des stations GNSS suivants sont partagés avec nos nombreux collaborateurs:

 

  •      Goug L’île de Gough, Océan Atlantique
  •      HRAO Krugersdorp, Afrique du Sud
  •      MAIS l’île Marion, Océan Indien
  •      MAUN Maun, au Botswana
  •      Nmpl Nampula, au Mozambique
  •      RBAY Richardsbay, Afrique du Sud
  •      DRG Port Mathurin, Rodrigues, Maurice
  •      SIMO Simonstown, Afrique du Sud
  •      SMTP São Tomé, Sao Tomé et Principe
  •      Süth Sutherland, Afrique du Sud
  •      VESL Vesleskarvet, Antarctique

 

Le programme est également engagée dans la recherche géodésique suivante, en utilisant le GPS:

 

  •      Empreinte, afin de déterminer la croûte locale et la stabilité de monument
  •      Colocalisation des différents points de référence et des techniques géodésiques
  •      Précise le calendrier en utilisant le GPS et un maser à hydrogène
  •      Étudier et éliminer les erreurs spécifiques à court terme du site pour les installations GPS
  •      La mesure de court terme (~ 2 heures) de petite taille (mm / h) mouvements
  •      Déformation de la croûte terrestre en Afrique australe, en utilisant un réseau régional (voir la carte du réseau régional, adapté de la carte du monde IGS Bureau central), traitée à l’aide GAMIT.


Introduction
Le programme de GPS a été lancé en 1973, lorsque la United States Air Force, Army, Navy, Marine Corps and Mapping Agency de défense a décidé d’utiliser leurs ressources techniques combinées pour développer un système de navigation très précis dans l’espace. Le personnel de ces agences ont été assemblés dans le cadre initial d’un Joint Program Office GPS et ont été rejoints par un contingent de neuf autres pays membres de l’OTAN. La principale justification du programme GPS était militaire, mais le nombre d’utilisateurs et d’applications civiles sont de plus en plus chaque jour. GPS fournit des temps très précis, la vitesse et les données de position ainsi que de répondre aux exigences de positionnement radio communes d’un large éventail d’utilisateurs. Selon le mode d’utilisation et de l’équipement utilisé, des mesures de haute précision peuvent être faites dans les applications géodésiques. Il est donc utilisé dans les programmes géodésiques pour compléter et renforcer les bases de données qui sont utilisés pour construire des modèles de champs de gravité de la Terre, les marées, la mer topographie de surface, orientation, niveau global de la mer et la circulation océanique. Il est particulièrement adapté pour travail de haute précision à court de base. GPS est considérée comme le principal outil de géodésiens en raison des améliorations considérables dans les techniques et les logiciels de traitement, la disponibilité et l’accès économique à l’équipement GPS, la portabilité et les avantages de la collaboration internationale.


Système Description générale


Le système GPS comprend trois segments majeurs; L’espace, de contrôle et d’utilisation des segments. Fonctionnement des segments spatiaux et de contrôle est géré par la Space Command de l’USAF et la commande de support pour les opérations de GPS est de la responsabilité de commandement logistique US Air Force (CATF).


Segment spatial


Le segment spatial pleinement opérationnel a été prévu d’avoir une constellation de 21 satellites, plus 3 pièces de rechange opérationnelles, en six avions avec quatre satellites par plan. Les orbites sont nominalement circulaire avec une inclinaison d’environ 55 degrés et une période de 12 heures. Hauteur orbitale est d’environ 20 200 km. Les satellites émettent un signal de spectre étalé sur deux fréquences de la bande L, dite lien 1 (L1) = 1575,42 MHz et Lien 2 (L2) = 1227,6 MHz. Le signal L1 est modulée avec une précision (P) et un code de télémétrie grossier / acquisition (C / A) code de télémétrie, tandis que le signal est uniquement L2 modulé avec le code P. Tous les composants de signaux sont commandés par des horloges atomiques qui est la clé de la précision du système. Superposées sur les codes sont des données de message de navigation, qui comprend des horloges des satellites et éphémérides paramètres, UTC informations de synchronisation et données sur la santé de signaux de satellite. Actuellement, quatre à huit satellites sont visibles avec un masque d’élévation d’environ 15 degrés.


Segment de l’utilisateur


L’accès des utilisateurs


Deux méthodes sont utilisées pour réduire la précision du système.

 

  1.      La disponibilité sélective (SA) SA affecte principalement l’utilisation du récepteur unique et est réalisée principalement par le tramage de la fréquence de l’horloge du satellite. Le message de navigation transmis peut aussi être tronqué qui prive l’utilisateur la possibilité de calculer avec précision les coordonnées des satellites.
  2.      Anti-Spoofing (AS) Cette fonction est appelée de façon aléatoire à nier l’usurpation potentielle (imitation hostile) des utilisateurs PPS. Cette capacité s’avère essentiellement au large de la P-code ou d’activer un code Y crypté.


Niveaux de service
Il existe deux niveaux de base du service offert par le GPS:

 

  1.      Précise Positioning Service (PPS) Le PPS peut fournir 8 mètres erreur circulaire probable (CEP) de positionnement et de 100 ns (un sigma) Transferts horaires UTC. CEP est défini comme le rayon d’un cercle horizontal contenant 50% de tous les correctifs de position possibles. Ce service est disponible uniquement aux utilisateurs autorisés et est principalement destiné aux utilisateurs militaires. L’accès au SPA est contrôlée par le Département américain de la Défense (DOD) en invoquant SA et AS.
  2.      Standard Positioning Service (SPS) Ce service est spécifié pour produire 100 m positionnement horizontal et environ 337 ns l’heure UTC précision de transfert.


Les utilisateurs sont divisés en deux catégories, ceux qui ont accès à la SPA et l’équilibre sont par défaut, les utilisateurs de la SPS. Un récepteur GPS PPS-capable a la logique intégrée cryptographique qui permet le traitement cryptage / décryptage avec les touches PPS. Normalement PPS-ensembles capables de récepteur GPS s’appliquent PPS traitement de chiffrement / déchiffrement pour SA et AS fonctions, bien que certains récepteurs GPS utilisés dans les réseaux de levés géodésiques fonctionnent en mode PPS limitée. Avec ces récepteurs GPS PPS traitement de chiffrement n’est nécessaire que pour le soutien en temps réel de la fonction AS que les fonctions de décryptage SA sont pris en charge au cours de post-traitement.


Segment de contrôle


Le segment de contrôle se compose d’une station de Master Control (MCS) à Falcon AFS dans le Colorado et cinq stations de surveillance situées à Hawaii, Kwajalein, Diego Garcia, l’Ascension et le MCS. Le MCS rassemble les données de suivi des stations de surveillance et calcule les paramètres de l’orbite des satellites et de l’horloge. Trois stations de contrôle au sol qui sont co-localisés avec les stations de surveillance de Kwajalein, Diego Garcia et Ascension télécharger les résultats tel que déterminé par le MCS.

Beaucoup d’autres stations de surveillance nonmilitaires contribuent au développement des orbites raffinés et la collecte de données pour la recherche géodynamique. HartRAO est en train d’installer un récepteur Turbo ROGUE GPS prêté par le Jet Propulsion Laboratory à Pasadena en Californie. Cela nous permettra d’apporter de précieuses données pour le Service international de GPS pour la géodynamique (IGS) qui utilise des données d’un réseau mondial de plus de cinquante stations réparties dans le monde entier. Résultats du Bureau central IGS peuvent être trouvés à http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/global.


Observables GPS


Il existe deux GPS observables qui sont utilisés pour déterminer la position. Applications de précision inférieurs tels que les chaînes de pseudo d’utilisation de navigation. En géodésie phases porteuses sont utilisées, car elle permet une grande précision.


Pseudo Plage


Détermination de position GPS est basée sur un temps d’arrivée allant concept appelé. Un exemple simple serait de considérer l’émission d’un signal à un instant précis dans le temps t1 à partir d’un émetteur fixe. Le signal arrive à un récepteur quelque temps plus tard, dire t2. La différence de temps t2 – t1 permet de déterminer le temps d’arrivée (TOA) valeur. L’intervalle (distance) entre le récepteur et l’émetteur peut être trouvée en multipliant la TOA de la vitesse de propagation du signal. Lorsque quatre satellites sont observées simultanément, le (x, y, z) la position et le récepteur de décalage d’horloge peut être trouvé à partir d’une seule observation. En examinant la terminologie, c’est la résection par la distance.

Les satellites GPS transmettent bruit (PRN) des ondes radio de séquences pseudo-aléatoires modulé. Les codes PRN prédéfinies sont des chaînes de données binaires qui sont générées à partir de l’horloge du satellite, qui sert de temps de codage de transmission pour les signaux. La transmission de chaque satellite est unique, même si elles transmettent toutes sur la même fréquence. Cela permet au récepteur GPS pour la différence entre les signaux. Ceci est réalisé par le récepteur GPS à générer une séquence de réplique PRN précis qui est mélangé dans le récepteur, pivoté vers l’avant et vers l’arrière dans le temps par une boucle de suivi de code jusqu’à ce que la corrélation maximale est atteinte. L’amplitude de la rotation est la valeur de TOA observée.

L’horloge du récepteur GPS n’est pas synchronisée avec l’horloge du satellite, de sorte que la TOA n’est pas directement applicable à l’exemple simple ci-dessus. L’horloge de réception a une polarisation qui est trouvé par le processeur de données de l’ensemble de récepteur GPS. Lorsque le TOA observé est multiplié par le temps de propagation du signal à la tranche géométrique, le biais d’horloge du récepteur est inclus. Cette gamme totale est appelée pseudo-distance (PR) mesure. Les PR mesurés sont affectés par les retards de propagation troposphérique et ionosphérique. Le TOA inclut donc à la fois le retard de propagation et le décalage d’horloge.

Un utilisateur algorithme de détermination de position simplifiée serait:

 

  1.      Suivre séquences PRN de quatre satellites.
  2.      Multiplier TOA valeurs par la vitesse de la lumière pour obtenir quatre mesures de relations publiques.
  3.      Mesures de relations publiques pour corriger les retards ionosphériques et troposphériques. Ajouter correction de la différence entre l’horloge et le système GPS du temps de chaque satellite, les effets de la relativité, etc Un flux de données numériques de 50 Hz (message de navigation) transmis par les satellites avec leur P et codes C / A contient les informations nécessaires, telles que le GPS temps de sytem de données transmision, éphémérides et horloge du satellite particulier. Sont également inclus les données d’almanach pour tous les satellites, les coefficients pour le modèle de retard et de la santé par satellite connaissance de l’ionosphère pour faire ces ajustements.
  4.      Effectuez une solution de position / temps en résolvant les quatre équations de gamme et calculer (x, y, z) le relevé de position en termes de WGS-84 système de coordonnées.


Précision du système Caractéristiques
Deux paramètres importants font que le GPS pour afficher les distributions de précision statistique. Tout d’abord, il ya l’erreur dans les PR mesurées et d’autre part, la précision facteur limitant en raison de la géométrie des satellites. Ces deux facteurs sont importants, car elle conduit à une meilleure compréhension des limites de GPS et permet la prédiction de position et de temps précisions.


Utilisateur gamme équivalente erreur (UERE)
L’erreur dans la détermination de la PR de chaque satellite est provoquée par des erreurs dans la prédiction de l’orbite du satellite, la stabilité de l’horloge, des erreurs dans le message de navigation, des erreurs de modélisation ionosphériques et troposphériques ainsi que les erreurs de corrélation. Le UERE est contenue dans le message de navigation et en liaison avec les facteurs de DOP permet la précision des estimations de point de positionnement qui peut être réalisé.


Dilution de précision (DOP) Facteurs
Les facteurs de DOP sont couramment utilisés comme une mesure de l’erreur d’apport sous l’effet de la géométrie de la distribution par rapport à la solution de position et de temps. Les facteurs de DOP sont fonctions simples des éléments diagonaux de la matrice de covariance des paramètres ajustés. Cette description devient clair quand on se rend compte que le filtre de Kalman dans un récepteur GPS contient une matrice des estimations (matrice de covariance) des erreurs de relations publiques. Le filtre de Kalman caractérise les sources de bruit résultant d’erreurs dans les corrections ionosphériques, l’utilisateur Synchronisation de l’horloge, etc, afin de minimiser leur effet introduire d’erreur. C’est un récursive (combinaison linéaire des estimations précédentes et les données actuelles) estimateur quadratique moyenne qui, dans un sens des moindres carrés, produit l’estimation de la covariance minimale du vecteur d’état, qui comprend des paramètres tels que la position GPS et l’heure récepteur. La matrice de covariance d’erreur satisfait à une équation de Ricatti, ce qui est relativement facile à résoudre à l’aide d’un microprocesseur, qui à son tour facillitates mise en oeuvre dans un récepteur GPS. La diagonale de la matrice de covariance contient les variances des erreurs de position et de l’erreur de biais d’horloge du récepteur.

Une bonne DOP a un faible nombre (2-3), alors qu’une mauvaise DOP a un grand nombre. Intuitivement, le meilleur DOP possible serait donnée par un satellite directement au-dessus et trois satellites régulièrement espacés sur l’horizon. Hautes DOP se produisent lorsque les satellites sont regroupés ou forment une ligne. Comme les positions des satellites sont prévisibles, les valeurs de DOP peuvent être calculées au cours des étapes de planification d’une enquête pour s’assurer de bonnes valeurs. Pour conclure cette section, les types particuliers de DOP sont brièvement décrites et leurs expressions donné.

 

  1.      VDOP Vertical DOP. Décrire l’effet de la géométrie des satellites sur la hauteur.
  2.      HDOP DOP horizontale. Indique dilution de la précision pour les positions horizontales.
  3.      PDOP Position DOP. Valeur de la position verticale à l’horizontale combiné.
  4.      TDOP Temps DOP. Durée effet de dimension de la géométrie.
  5.      GDOP DOP géométrique. Une mesure composite des dimensions horizontaleverticale temps.


Phases porteuses
Mesures de phase de la porteuse sont plus précises que les mesures de relations publiques et sont utilisés sur les deux lignes de base courtes et très longues avec une grande précision. La question «qu’est-ce qu’une phase de la porteuseest mieux placé pour répondre en commençant par les premiers principes. La phase observable est la différence de phase entre l’onde porteuse émise par le satellite et le signal de l’oscillateur de récepteur à une époque t spécifié. La phase d’une onde donc n’a de sens que lorsqu’il est spécifié par rapport à une autre vague de la même fréquence. Une fois l’acquisition du signal a commencé le nombre total de cycles sont comptés. Les mesures de phase sont ambigus et à moins que la différence de distance absolue à la période initiale est déterminée, la mesure de phase permet que les changements de gamme sur la période observée. L’ambiguïté entier initiale dépend de la combinaison récepteur satellite à l’époque initiale et reste le même au cours d’une période d’observation particulière. Cela permet à l’ambiguïté initiale et inconnu entier d’être représenté par un terme de polarisation unique. Un glissement de cycle peut se produire lorsque le suivi est interrompu en raison d’un blocage des signaux, des signaux faibles ou traitement du signal incorrect en raison d’une panne de logiciel récepteur.

Ce glissement de cycle se modifie le nombre entier de cycles, bien que la mesure de phase fractionnaire après ré-acquisition du signal est le même que si le suivi n’a pas été interrompue. Plusieurs techniques ont été développées pour résoudre glissements de cycle, telles que les techniques de recherche, filtrage de Kalman discret, optimisé décomposition de Cholesky et dans le cas de données bi-fréquence en code et de porteuse widelaning fixation d’ambiguïté. Techniques rapides sont très importants pour les applications en temps réel et de nombreuses recherches sont actuellement en cours pour trouver de meilleurs et plus rapides des méthodes de résolution d’ambiguïté.


Phase porteuse de précision
En général, la composante verticale a une déviation standard plus grande que les composantes horizontales. Cela est dû au fait que la composante verticale est moins contraint et est plus sensible à des erreurs de retard troposphérique. La précision dans la composante verticale augmente avec un plus grand nombre de satellites observés simultanément en tant que le coefficient de corrélation entre la station et la coordonnée verticale de retard troposphérique zénithal réduit. Précisions typiques serait d’environ 10 mm à l’échelle mondiale et environ 1 mm à l’échelle locale. Ces précisions ne sont obtenus que si le logiciel de traitement de pointe est utilisée ainsi que des informations d’orbite précise. Le comportement imprévisible des normes de temps et de fréquence servant de référence pour les récepteurs GPS est la principale source d’erreur dans la mesure. Par le processus de différenciation, les erreurs résultant de récepteur satellite et horloges peuvent être pratiquement éliminés. La différenciation peut se faire entre les récepteurs des satellites, des époques, ou une combinaison de ceux-ci. La différenciation de réduire l’effet de l’ionosphère et la troposphère lorsque les récepteurs sont proches les uns des autres, de sorte que le fonctionnement bi-fréquence n’est pas nécessaire que les lignes de base de courte durée.

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