Cпутниковые Системы

32

Наиболее мощные средства такого типа представляют собой не отдельные приемники, а целые измерительно-вычислительные станции и комплексы. Они снабжены и линиями радиосвязи, и внешними компьютерами, и разветвленными программами постпроцессорной, так называемой камеральной обработки данных, накопленных во время полевых измерений.

Если приемники навигационного класса обеспечивают исключительную точность и безопасность навигации, то эти уникальные устройства совершают революцию в созидательной деятельности Человека. И с каждым годом открываются все новые и новые области их применения.

В третью группу областей применения методов и технических средств GPS мы условно отнесем все, что перекрывается информационноизмерительными системами. Они строятся на основе сопряжения и сочетания возможностей GPS и других технических средств, позволяющими получить новые качества в решении старых, но исключительно важных практических проблем.

5.2 Источники ошибок

На точность определения координат существенное влияние оказывают ошибки, возникающие при выполнении процедуры измерений. Природа этих ошибок различна.

На степень точности вычисления координат влияет ряд факторов, зависящих от процедуры их определения. Их принято называть факторами снижения точности. Как правило, при вычислении координат учитываются следующие стандартные факторы снижения точности:

Геометрический фактор снижения точности (GDOP) определяет степень влияния погрешностей псевдодальности (характеризующей меру удаленности пользователя от GPS-спутника) на точность вычисления координат. Зависит от положения спутника относительно GPS-приемника и от смещения показания GPS-часов. Различие значений псевдодальности и фактической дальности связано со смещением показаний часов GPS-

33

спутника и потребителя, с задержками распространения и другими ошибками.

Горизонтальный фактор снижения точности (HDOP) показывает степень влияния точности определения горизонтали на погрешность вычисления координат.

Фактор снижения точности определения положения (PDOP) — это безразмерный показатель, описывающий, как погрешность псевдодальности влияет на точность определения координат.

Относительный фактор снижения точности (RDOP), по сути, равен фактору снижения точности, нормализованному на период 60 с.

Временной фактор снижения точности (TDOP) описывает степень влияния погрешности показаний часов на точность определения координат.

Вертикальный фактор снижения точности (VDOP) показывает степень влияния погрешности в вертикальной плоскости на точность определения координат.

Кроме того, основными источниками ошибок, влияющими на точность навигационных вычислений в GPS-системе, являются:

1.Погрешности, обусловленные режимом селективного доступа

(Selective availa-bility, S/A). Используя данный режим, Министерство Обороны США намеренно снижает точность определения местонахождения для гражданских лиц. В режиме S/A формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м. В 2002 году решением президента США этот режим отменен.

2.Ионосферные задержки сигнала. Ионосфера – это ионизированный атмосферный слой в диапазоне высот 50 – 500 км, который содержит

34

свободные электроны. Наличие этих электронов вызывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорциональна квадрату частоты радиосигнала. Задержки распространения сигналов при их прохождении через верхние слои атмосферы приводят к ошибкам порядка 20-30 м днем и 3-6 м ночью. Для компенсации возникающей при этом ошибки определения псевдодальности используется метод двухчастотных измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных приемниках). Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта GPS-спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м.

3.Тропосферные задержки сигнала. Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м. Значения погрешностей этого вида при использовании сигналов с С/А-кодом не превышают 30 м.

4.Эфемеридная погрешность. Ошибки обусловлены расхождением между фактическим положением GPS-спутника и его расчетным положением, которое устанавливается по данным навигационного сигнала, передаваемого с борта спутника. Значение погрешности обычно не больше 3 м.

5.Погрешность ухода шкалы времени спутника вызвана расхождением шкал времени различных спутников. Устраняется с помощью наземных

35

станций слежения или за счет компенсации ухода шкалы времени в дифференциальном режиме определения местоположения.

6.Погрешность определения расстояния до спутника является статистическим показателем. Он вычисляется для конкретного спутника и заданного интервала времени. Ошибка не коррелированна с другими видами погрешностей. Ее величина обычно не превышает 10 м.

7.Неточное определение времени. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению систематической ошибки определения координат около 0.6 м.

8.Ошибки вычисления орбит. Появляются вследствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выполняемых в аппаратуре приемника. Эта погрешность также носит систематический характер и приводит к ошибке измерения координат около 0.6 м.

9.Инструментальная ошибка приемника. Обусловлена, прежде всего,

наличием шумов в электронном тракте приемника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от ИСЗ и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдодальности. Наличие данной погрешности приводит к возникновению координатной ошибки порядка 1.2 м.

10.Многопутность распространения сигнала. Появляется в результате вторичных отражений сигнала спутника от крупных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измеренное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно, а наилучшим способом борьбы с нею считается рациональное размещение антенны приемника относительно препятствий. В результате воздействия этого фактора ошибка определения псевдодальности может увеличиться на 2.0 м.

36

11. Геометрическое расположение спутников. При вычислении суммарной ошибки необходимо еще учесть взаимное положение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вводится специальный коэффициент геометрического ухудшения точности PDOP (Position Dilution Of Precision), на который необходимо умножить все перечисленные выше ошибки, чтобы получить результирующую ошибку. Величина коэффициента PDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет образована, если провести единичные векторы от приемника к спутникам. Большое значение PDOP говорит о неудачном расположении ИСЗ и большой величине ошибки. На Рис.5 приведены примеры удачного (а) и неудачного (б) геометрического положения спутников. Типичное среднее значение PDOP колеблется от 4 до

6.

Следует отметить, что точность определения координат связана не только с прецизионным расчетом расстояния от GPS-приемника до спутников, но и с величиной погрешности задания месторасположения самих спутников. Для контроля орбит и координат спутников и предназначены наземные станции слежения, системы связи и центр управления, подчиняющиеся Министерству Обороны США. Станции слежения постоянно ведут наблюдение за всеми спутниками GPS-системы и передают данные об их орбитах в центр управления, где вычисляются уточненные элементы траекторий и поправки спутниковых часов. Указанные параметры вносятся в «альманах» и передаются на спутники, а те, в свою очередь, отсылают эту информацию всем работающим GPS-приемникам. Кроме того, существует еще множество специальных систем, увеличивающих точность навигации. Например, особые схемы обработки сигнала снижают ошибки от интерференции (взаимодействия прямого спутникового сигнала с отраженным сигналом, например, от зданий).

37

5.3 Повышение точности определения координат

Точность определения координат потребителя, которую обеспечивают системы GPS и GLONASS, составляет около 10 м. Однако для многих приложений, таких как навигация автомобилей, судов на узких фарватерах, геодезии, навигации летательных аппаратов, подобная точность недостаточна. Для увеличения точности местоопределения был предложен метод дифференциальной навигации, который обеспечивает точности до нескольких десятков сантиметров.

Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного навигационного приёмника, называемого базовой станцией. Базовая станция устанавливается в точке с известными географическими координатами. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными координатами, базовый навигационный приёмник формирует поправки, которые передаются потребителям по каналам связи (рис. 10).

рис 10. Метод DGPS увеличивает точность данных

Приёмник потребителя учитывает принятые от базовой станции поправки при решении навигационной задачи. Это позволяет определить его координаты с точностью до одного метра.

38

Различают два метода вычисления поправок:

•метод коррекции координат, когда в качестве дифференциальных поправок с базовой станции передают добавки к измеренным в определяемом пункте координатам. Недостатком этого метода является то, что приёмники базового и определяемого пунктов должны работать по одному рабочему созвездию. Это неудобно, поскольку все потребители, использующие дифференциальные поправки, должны работать по одним и тем же ИСЗ;

•метод коррекции навигационных параметров, при использовании которого на базовой станции определяются поправки к измеряемым параметрам (например, псевдодальностям) для всех спутников, которые потенциально могут быть использованы потребителями. Эти поправки передаются потребителям и учитываются при решении навигационной задачи. Недостатком этого метода является повышение сложности

аппаратуры потребителей.

Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между потребителем и базовой станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приёмнику) причинами. Эти ошибки в значительной мере компенсируются при близком расположении базовой станции и приёмника потребителя. Поэтому зона обслуживания базовой станции составляет не более 500 км.

Передача дифференциальных поправок от базовой станции к потребителю может осуществляться с помощью телефонной или радиосвязи, по системам спутниковой связи (например, INMARSAT), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM-радиостанций. В настоящее время во многих странах уже действует развитая сеть базовых (дифференциальных) станций, постоянно транслирующих поправки на определённую территорию.

39

Например, в США дифференциальные поправки передаются береговой охраной через морские радиобуи, работающие на частоте 283,5–325 кГц. Пользоваться этим сервисом может любой желающий. Под СанктПетербургом в феврале 1998 года была установлена первая базовая станция. Она передаёт дифференциальные поправки на частоте 298,5 кГц.

Примером глобальной сети DGPSпоправок может служить система OmniSTAR . Она использует сеть станций для сбора информации об ошибках, вводимых в GPSсигнал Министерством обороны США.

Собранные данные распределяются одним из центров управления сетью. Всего существует 3 центра управления сетью OmniSTAR по всему миру. Оттуда данные передаются на борт к одному из семи геостационарных спутников, распределенных по всей земной поверхности. Далее каждый спутник передает данные о дифференциальных GPSпоправках в пределах своей области обслуживания. Сигналы поправок системы OmniSTAR могут быть получены через радиоканал GPSприемником и доступны по подписке.

Сеть OmniSTAR обладает устойчивостью и избыточностью:

Все станции сбора информации имеют дублированные каналы связи с соответствующим центром управления сетью;

Европейский спутник использует два канала, переключение между которыми осуществляется автоматически;

Европейский континент имеет два уровня обслуживания дифференциальными GPSпоправками;

Формируемые системой OmniSTAR поправки не зависят от какойлибо конкретной станции;

Сигнал системы OmniSTAR сигнал не подвержен влиянию гроз или электрических полей.

Работа сети непрерывно контролируется центрами управления сетью. Имеются два различных типа подписки на систему OmniSTAR: VBS (Virtual Base Station) и VRC (Virtual Reference Cell).

40

VBS - подписка. Внутри приемника рассчитывается оптимальная для данного положения приемника дифференциальная поправка. При этом используется информация от всех станций сбора данных. Такая методика называется технологией Виртуальной Базовой Станции (VBS).

VRCподписка. Данный вид подписки является более дешевым вариантом для пользователя, постоянно работающего в пределах ограниченной территории. При этом для формирования сигналов дифференциальных поправок используются сигналы всех станций, но поправки пересчитываются не на любую точку местонахождения пользователя, а только на одну указанную пользователем точку.

Зона действия системы OmniSTAR захватывает почти всю поверхность земного шара (Рис. 11)

Рис. 11 Обзор дифференциальных систем спутниковой навигации позволяет

сделать вывод о том, что принципы построения глобальных дифференциальных систем в наибольшей степени соответствуют особенностям и условиям, существующим в России. При огромной и очень неравномерно населённой территории России развёртывание плотной сети наземных станций сбора информации, необходимых для вычисления подробных карт вертикальных ионосферных задержек, будет очень дорогостоящим. В глобальных системах дифференциальной навигации

41

ответственность за устранение ионосферных ошибок возлагается на потребителя. Для этого требуется, чтобы пользователи такой системы были снабжены двухдиапазонными навигационными приёмниками, что естественно повысит стоимость аппаратуры потребителя. Однако можно полагать, что при массовом производстве такой аппаратуры стоимость каждого её комплекта, по сравнению со стоимостью комплекта однодиапазонной аппаратуры, возрастёт незначительно. С учётом введения в

ближайшем будущем гражданских модулирующих кодов в GPS и Глонасс, распространение и применение двухчастотной аппаратуры потребителя станет повсеместным.