Обробка даних з референцних станцій мережі ZAKPOS Надрукувати

Обробка даних в мережі референцних станцій для режиму реального часу складається із трьох основних кроків. На першому кроці обробки виконується фіксація фазових неоднозначностей в мережі референцних станцій. Тільки спостереження з встановленими неоднозначностями можуть використовуватися для точного моделювання різниць координат, що залежать від відстаней. Порівняно великі відстані між референцними станціями (50... 100+ км) та вимога встановлення неоднозначностей у реальному часі (долі сек.) роблять даний крок обробки серйозним випробуванням для мережі RTK. Цей мережевий розв’язок неоднозначностей досить суттєво відрізняється від відомого розв’язку неоднозначностей при статичних спостереженнях, оскільки координати станції наперед повинні бути точно відомі. При цьому повинна використовуватися також вся апріорна інформація, що здатна зменшити похибки спостережень: ультрашвидкі прогнозовані ефемериди супутників від IGS, іоносферні та тропосферні поправки, що базуються на недавніх результатах обробки мережі, корегування фази несучої хвилі через багатошляховість проходження сигналів шляхом оцінки попередніх мережевих даних, виправлення фазового центру антени через її калібрування тощо.

На другому кроці обробки визначаються і оцінюються коефіцієнти моделі поправок, що залежать від відстані між референцними станціями і приймачем користувача, а на третьому обчислюється оптимальний набір референцних спостережень (віртуальна референцна станція), що базується   на моделях поправок, що передаються на ділянку пересувного приймача. У обчислювальному центрі мережі можна виконувати і більше кроків обробки в залежності від вибраних можливостей програмного забезпечення.

Із наведеного зазначимо, що головним при обробці даних спостережень є розв’язки мережевих фазових неоднозначностей у режимі реального часу при відомих координатах референцних станцій.  При цьому для правильного функціонування мережі активних референцних станцій необхідно знати їх координати настільки точно, наскільки це можливо. Іншим важливим критерієм, що визначає дієздатність мережі, є однозначне визначення фазових центрів антен у процесі обробки. Воно може виконуватися або за результатами спеціального індивідуального калібрування GNSS-антен, або за даними калібрування на тестових полігонах конкретних моделей антен та їх подальшого використання для тих же моделей «своїх» антен.

Важливим питанням при визначенні координат референцних станцій став вибір системи відліку, тобто референцної системи. Виходячи із обовязкового критерію – різниці прийнятих координат референцної станції і «виміряні» або навігаційні її координати у деякий момент часу повинні бути малими (до 10 м), то зрозуміло, що використання національних систем відліку координат є не прийнятним. Для цього ми скористалися досвідом європейських країн,  підкомісії Міжнародної Асоціації Геодезії (IAG) для Європейської референцної системи (EUREF) та такої структури як EUPOS (European Position Determination System) – Європейська ініціативна оргацізація з розвитку активних мереж референцних станцій у Центральній та Східній Європі. Так ще у 1990 р. була прийнята резолюція EUREF про встановлення для території Європи такої земної референцної системи, яка б співпадала з Міжнародної референцною системою ITRS, а швидкість руху стійкої частини євразійської плити зафіксувати на епоху 1989.0 і вважати її незмінною. Таку систему назвали Європейською земною референцною системою 1989 (ETRS89). В 2003 р. Європейська Комісія прийняла ETRS89 як обовязкову референцну систему для всіх прикладних застосувань у Європі. Асоціація EuroGeographics, яка представляє топографо-картографічні та кадастрові агенства більшості європейських сторін, також рекомендує проводити розробку основних проектів, повязаних із інфраструктурою просторових даних, на основі ETRS89. Ця система вважається основною і у рекомендаціях EUPOS.

Референцна система ETRS89 підтримується EUREF через мережу перманентних GNSS референцних станцій (EPN), координати яких регулярно визначаються в ETRS89 і представляють собою її реалізацію першого рівня в континентальному плані. На національному рівні ETRS89 реалізується покроковим згущенням і вдосконаленням «оригінала» референцної системи EUREF, через існуючі станції EPN.

Подібно до міжнародної земної референцної системи ITRS, ETRS89 розвивається стадіями, а кожна стадія розвитку представляється відповідною реалізацією. Сама остання реалізація завжди є вдосконалішою за попередню. Для референцної системи ITRS такою останньою реалізацією є ITRF2005 з епохою 2000.0, а ETRS89 відповідно  ETRF2000 та епохою 2000.0.  Надійність координат мережі EPN залежить від загальної тривалості спостережень та можливості використання інших космічних методів спостережень.

Координати EPN-станцій доступні у двох референцних системах - ITRS та ETRS89. Залежно від тривалості спостережень і обробки для станцій мережі EPN можно виділити три типи координат:

(А) щотижневі координати, обчислені шляхом комбінування локальних розвязків з окремих частин мережі EPN,
(Б) мережеві координати і швидкості їх зміни, обчислені у рамках проекту EPN „Time series monitoring“
(В) офіційні координати і швидкості, що видаються Міжнародною службою обертання Землі і референцних систем - IERS за результатами комбінування багаторічних координатних розвязків, отриманих декількома космічними геодезичними методами.

Як показали наші дослідження, координаты (А) не цілком підходять для визначення референцної системи, а можуть бути використані лише для грубого координатного контролю. Координаты (Б) є більш точними розвязками щодо станцій EPN. Вони є придатними для використання у тому випадку, коли перманентна станція працює вже багато років, але ще не включена у список IERS. Важливо, щоб координати станції були задані мінімум у двох останніх послідовних ITRF розвязках. Навіть якщо станція має період спостереження 1.5-2 роки, то її координати вже еквівалентні ITRF розвязкам, проте швидкість їх зміни потребує більш довшого часового ряду. (скорость нуждается в более длинном наблюдении набор). Координаты (В) - офіційні координати/швидкості станцій EPN, що видаються IERS.

Рекомендації європейських організацій зводяться до наступного. Якщо на відстані до 300 км від референцних станцій є перманентні станції EPN з  офіційними координатами/швидкостями (В), то їх слід використовувати у першу чергу для привязки до земної референцної системи ITRS/ETRS89. При відсутності таких станцій потрібно використовувати станції типу (Б). Таких станцій є, як правило, достатня кількість, особливо, в околі Закарпаття. Координати типу (А) можна використовувати лише у тому випадку, коли цілком відсутні типи (В) і (Б).  Можемо також зауважити, що вибір вихідних станцій не повинен бути механічним. Потрібно проаналізувати координати та швидкості на предмет їхньої непередбачуваної зміни (особливість розташування, заміна обладнання на станції, тривалі перерви у роботі тощо).

Координати референцних станцій повинні визначатися згідно рекомендацій Технічної робочої групи EUREF та засад IGS (International GNSS Service). Ці рекомендації встановлюють порядок визначення координат і направлені на те, щоб координати референцних станцій були повязані виключно з референцною системою, що підтримується через EPN та повинні представляти національну ETRS89 реалізацію.

Основні рекомендації з визначення координат референцних станцій зводяться до наступного:

  • для обробки спостережень треба використовувати високоточне GNSS програмне забезпечення типу Bernese, GAMIT, GIPSY-OASIS, Geodyn, Geonap, Trimble Total Control тощо;
  • вибирати станції EPN таким чином, що вони охоплювали ділянку мережі референцних станцій зі всіх сторін;
  • проводити спостережну кампанію не менше 3-4 тижнів, використовуючи станції EPN;
  • визначати зміни фазового центра антени необхідно за результатами індивідуального їх калібрування, якщо такі дані є. У разі їх відсутності треба використовувати IGS-модельні значення калібрувань антени певного типу;
  • при обробці даних спостережень генерувати вільний розвязок мережі станцій;
  • отримують регуляризований розвязок шляхом встановлення координат вихідної/вихідних станцій EPN;
  • трансформують результати урівнювання в ITRF2005/ETRF2000 на епоху 2000.0

Використовуючи дані рекомендації протягом певного періоду спостережень можна досягнути точності координат референцних станцій на рівні 1 мм в плані та  3 мм у висоті в порівнянні з фактичною EPN реалізацією.

Отже, головною задачею для новоствореної мережі активних референцних станцій ZAKPOS стало високоточне визначення просторових координат всіх встановлених GNSS-антен з включенням їх у українську мережу перманентних станцій.

Мережа референцних станцій ZAKPOS у Закарпатській обл. складається з 5 GNSS станцій, таких як: Рахів (RAKH), Міжгір’я (MIZG), Хуст (KHST), Мукачеве (MUKA), Великий Березний (VBER). Схематично мережа ZAKPOS представлена на  рис.1, (приблизні відстані між станціями, які входять у мережу наведені у км).

Схема розташування референцних станцій мережі ZAKPOS

У таблиці наведені характеристики обладнання референцних станцій мережі ZAKPOS (типи приймачів та антен, висота антен).

 Характеристики обладнання станцій мережі ZAKPOS

 Характеристики обладнання станцій мережі ZAKPOS

Регулярні GNSS спостереження на референцних станціях мережі ZAKPOS  розпочалися 4 лютого 2009 р. (35 GPS  день та 1517 GPS-тиждень). Всього в обробку було включено 10 тижнів безперервних спостережень –  від 1517 до 1526 GPS-тижня.
 
Тривалість добових спостережень становила 24h, а інтервал між епохами – 1-5s. Для подальшої обробки залучалися відповідні дані із українських перманентних станцій EPN  UZHL (Ужгород) та SULP (Львів). Зазначимо, що координати станції UZHL відносяться до типу (В), тобто мають офіційний статус, а координати станції SULP до типу (Б).

Обробка даних GNSS спостережень виконувалася із використання програмного забезпечення Trimble Total Control версії 2.73 у режимі Double Difference, згідно конвенцій IERS та IGS для геофізичних моделей та параметрів. До особливостей процесу обробки можна також віднести використання:
  • калібрувальної  моделі антен IGS за висоти та азимути супутників (оновлена від 5.03.2009 р.);
  • глобальних параметрів орбіт, годинників супутників, обертання Землі з фінальних розв’язків IGS;
  • лінійних комбінацій (L3) подвійних різниць фаз “ionosphere-free”;
  • тропосферних корекцій шляхом визначення для кожної станції зенітних затримок “Dry-Niell” для двогодинних інтервалів;
  • іоносферних щоденних карт TEC (IONEX-файли);
  • офіційних координат перманентної станції UZHL (Ужгород) у референцній системі ITRF2005 на епоху спостережень (середина поточного тижня).
Схема мережі, що підлягала обробці, приведена на рис. 2. Координати станції UZHL використовувалися для утворення регуляризованого розвязку (фіксувалися на відповідну епоху спостережень), а координати станції SULP – як контрольні для незалежного оцінювання.

У тижневому розвязку приймали участь 7 станцій спостережень, які утворювали біля 150 векторів. Спочатку мережа урівнювалася як вільна, оцінювалась якість обробки та урівнювання, а потім вже фіксувалися координати станції UZHL.

Схема мережі референцних станцій ZAKPOS та станцій EPN

 Схема мережі референцних станцій ZAKPOS та станцій EPN.

У таблиці приведені статистичні характеристики точності обчислення координат станцій за весь період спостережень.

Усереднена точність координат референцних станцій мережі ZAKPOS
Усереднена точність координат референцних станцій мережі ZAKPOS

Порівняльні дані  обчислених нами координат перманентної станції SULP з її координатами типу (Б) із проекту EPN „Time series monitoring“ наведені у наступній таблиці.

Різниці між обчисленими та EPN координатами станції SULP
Різниці між обчисленими та EPN координатами станції SULP
 
Отримані характеристики точності обчислених координат референцних станцій ZAKPOS вказують на їх високу якість і цілковиту придатність до використання при RTK-режимі.
 
< Попередня   Наступна >