Анализ суточных вариаций измеренных координат GPS-станции ULAZ программами RTKLIB и Mathlab

Шунков А. Д., Башкуев Ю. Б. Анализ суточных вариаций измеренных координат GPS– СТАНЦИИ ULAZ программами RTKLIB и MATHLAB // Вестник Бурятского государственного университета. Химия. Физика. 2019. Вып. 1. С. 32–37.

Целью работы является анализ суточных вариаций измеренных координат GPS–станции ULAZ программами RTKLIB и MATHLAB.

Проведена первичная обработка «сырых» суточных данных, сравнение и статистический анализ данных станции ULAZ в разные дни 2017 и 2001 гг. Показано некоторое различие статистических характеристик между измерениями координат за 16 лет.

Глобальные спутниковые радионавигационные системы (ГНСС) предназначены для определения местоположения объекта в пространстве. Они также позволяют получить данные о скорости и направление движения приёмника сигнала. В состав системы GPS (рис. 1) входят:

• 1)    созвездие искусственных спутников Земли (космический сегмент);

• 2)    сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления);

• 3)    GPS-приемники (аппаратура потребителей).

Данные от спутника передаются в виде raw-файлов (в виде «сырых» данных), которые быть должны быть преобразованы в RINEX-формат (Receiver Independent Exchange Format), то есть в аппаратно-независимый формат обмена навигационными данными.

Структура дифференциальной системы GPS

Рис. 1. Структура системы GPS с дифференциальной поправкой

Этот формат позволяет производить пост-обработку полученных данных для выполнения более точных вычислений — обычно с помощью других данных, неизвестных приемнику, например за счёт применения более точных моделей ионосферных и атмосферных задержек. Для преобразования можно воспользоваться универсальным RINEX-конвертором TEQC.

RTKLIB — это пакет программ с открытым исходным кодом для стандартного и точного позиционирования. RTKLIB включает в себя следующие компоненты:

• 1)    RTKNAVI: Позиционирование в реальном времени;

• 2)    RTKCONV: Преобразование «сырых» данных приемника в RINEX-формат;

• 3)    RTKPLOT: Просмотр и построение данных в графическом виде, полученных от RTKNAVI и RTKPOST;

• 4)    RTKPOST: пост-обработка RINEX-файлов.

С помощью данного пакета программ можно анализировать суточные вариации измеренных координат GPS–станции. После преобразования raw-файлов в RINEX-формат, далее можно производить пост-обработку и анализ в RTKLIB. Для статического анализа данные обрабатываются в MATHLAB.

Для примера рассмотрим данные за 3 сентября 2017 г. и за 10 января 2001 г.

GPS-станция ULAZ является постоянно действующей с 1999 г. Для исключения влияния небольших вибраций она установленна на бетоном постаменте. Станция определяет свои текущие координаты каждые 30 сек, начиная с 00 ч 00 мин 00 сек до 23 ч 59 мин 30 сек. Количество отсчетов координат, или как принято их называть эпохами, составляет 2880 эпох.

Рис. 2. Вариации координат станции ULAZ за 3 сентября 2017 г.

Рис. 3. Вариации координат станции ULAZ за 10 января 2001 г

Рис. 4. Результат обработки в MATHLAB

Преобразовав данные в RTKLIB, мы получим следующую пространственную картину суточных вариаций измеренных координат станции (рис. 2-4).

При визуальном сравнении можно заметить что, на рис. 2 отсчеты координат (точки) расположены более плотно, с меньшим разбросом по сравнению с рис. 3.

Для количественного анализа найдем математическое ожидание и среднее квадратичное отклонение (СКО) с использованием программы MATHLAB.

Математическое ожидание за 3 сентября 2017 г. и за 10 января 2001 г. составляет: 51.814506°С.Ш, 107.621954°В.Д.

Вариация точек по величине СКО (рис. 4) с 2001 г. уменьшилось на 0,96 метров. Точки, выходящие за радиус 3σ, за 3 сентября составляют 1,1%, а за 10 января 2,01%. Отсюда можно предположить, что точность позиционирование со временем изменилась и стала выше. Причинами этих изменений могут быть: 1) созвездие новых GPS-спутников (космический сегмент); 2) увеличение точности определения орбит GPS-спутников сетью наземных станций слежения и управления (сегмент управления).

Таким образом, определены статистические характеристики суточных вариаций измеренных координат GPS–станции ULAZ . Показано, что программы RTKLIB и MATHLAB удобны при обработке первичных данных, связанных с позиционированием и навигацией с применением ГНСС. Необходима дальнейшая обработка данных GPS–станции ULAZ за период с 1999 по 2019 гг. Она потребует создания системы обработки больших объемов данных, которая будет соответствовать приоритету научно-технологического развития Российской Федерации, пункт а).