Glava_8_9_10

-78 -

•файл конфигурации, содержащий точные (±2 см.) трехмерные координаты антенны каждой сетевой референцной станции, определенные во всемирной геодезической сети IGS (International GPS Service).

Данные двухчастотных наблюдений используются для формирования сглаженных, свободных от воздействия ионосферной рефракции псевдодальностей, которые благодаря дополнительному сглаживанию с использованием данных фазы несущей фактически свободны от воздействия эффекта многолучевости. Затем псевдодальности нормализуются с учетом смещения временной шкалы приемника и моделью тропосферной задержки. В итоге, нормализованная псевдодальность до каж-дого спутника получается как взвешенное среднее для того, чтобы рассчитать дифференциальную поправку псевдодальности до данного спутника. Аналогичный процесс осуществляется с конечными разностями фаз несущих для того, чтобы получить скорости изменения псевдодальности.

Набор из поправок для всех видимых навигационных спутников форматируется в плотно упакованное двоичное цифровое сообщение и отправляется из сетевого концентратора на наземные центры загрузки данных на спутники связи, где оно загружается на геостационарный спутник, который передает поправки для всех пользователей, находящихся в данном регионе. Благодаря тому, что в технологии WCT используются псевдодальности, исправленные за ионосферную рефракцию, резу-льтирующие поправки для широкого региона (WADGPS) свободны от погрешностей, вызываемых пространственной декорреляцией ионосферной задержки (spatial decorrelation of ionosphere delays), которые свойственны поправкам, рассчитываемым по одночастотным спутниковым измерениям. В том случае, когда на подвижной станции используются также двухчастотная спутниковая аппаратура, способная устранять погрешности, связанные с ионосферной рефракцией, то один и тот же набор поправок может быть использован по всему регионы для получения высокой однородной точности определения положения. Спутниковая аппаратура пользователей, работающая внутри такой сети принимает поправки со спутников связи и складывает с собственными измеренными псевдодальностями. Результирующие DGPS-позиция, скорость и время выдается в аппаратуру пользователя или другие подсистемы для картографирования или управления. Точности расчета

планового положения по технологии WCT (Wide area Correction Transform) достаточно высокая и обычно составляет 0.35 м. (68%). Сеть StarFire продолжает выдавать поправки по технологии WCT в качестве поправок, дублирующих поправки, рассчитываемые по технологии RTG (Real Time GIPSY) для районов, где генерируются WCTпоправки.

8.4.3. Поправки технологии Real Time GIPSY (RTG)

Программное обеспечение RTG, используемое для расчета глобальных поправок, требует ввода того же набора исходных данных, что и для региональных поправок с соответствие с технологией

WCT.

Вместе с тем, поправки RTG радикально отличаются от поправок, получаемых по расчетам WCT. Поправки, вычисляемые по методу WCT, используют усредненные значения взвешенной рефракции для генерации поправок, которые могут быть использованы для обширного района. Несмотря на достаточно высокую точность такая методика расчета поправок имеет определенные ограничения.

- 79 -

Точность, достигаемая усреднением, понижается с удалением от района наблюдений. На практике, главным источником погрешностей, который лимитирует WCT – решение, сводя его к размерам континента, является малая точности орбит навигационных спутников. Обработка по методике RTG базируется на подходе, называемом «точное точечное определение» (‘precise point positioning’= РРР) при котором основное внимание уделяется на оценки погрешностей орбит и временных шкал навигационных спутников. Эти параметры постоянно рассчитываются для всех навигационных спутников «Навстар» на основе данных глобальной сети наблюдений. Данные параметры глобальны и не зависят от положения наблюдателя на земной поверхности. На основе использования методики расчета RTG моделируются и компенсируются все остальные независимо идентифицируемые источники погрешностей. Моделируемые эффекты включают:

•геопотенциал (Geopotential)

•дрейф материков (Solid tide)

•дрейф полюсов (Polar tide)

•океанский прилив (Ocean tide)

•тропосфера (Troposphere)

•солнечный ветер (Solar pressure)

•эффект относительности (Relativity)

Два сетевых концентратора принимают данные в реальном масштабе времени от развитой всемирной сети JPL – референцных станций, оснащенных двухчастотной спутниковой аппаратурой одновременно с данными от WCT – станций с двухчастотной спутниковой аппаратурой. Это дает первичные данные по которым оперативно рассчитываются поправки орбит и временных шкал навигационных спутников. Каждую минуту для каждого спутника системы Навстар рассчитываются поправки к параметрам орбиты и каждые несколько секунд для каждого спутника рассчитываются поправки к его бортовой шкале времени.

На рис.8.10 иллюстрируется участок сети RTG,

а навигационное функционирование обсуждается в разделе 8.4.5.

Рис.8. 10 Сеть RTG

- 80 -

8.4.4. Сеть референцных станций.

Сеть референцных станций StarFire WADGPS включает примерно 50 станций, оснащенных двухчастотной спутниковой аппаратурой расположенных по всей территории земного шара, которые формируют GPS –сообщения, которые обрабатываются на сетевых концентраторах.

Спутниковая аппаратура референцных станций представляет собой как приемники NCT 2000D фирмы NavCom, так и спутниковые двухчастотные приемники других производителей. Каждый спутниковый приемник посылает на сетевой концентратор данные по коду, фазе несущей (частоты), а также другую необходимую информацию с интервалом в одну секунду.

В большинстве случаев для повышения надежности на референцной станции устанавливается несколько двухчастотных спутниковых приемников, однако, надежность и так обеспечивается большим числом референцных станций. Место расположение референцных станций выбиралось с таким расчетом, чтобы обеспе-чить наилучшую наблюдаемость всех навигационных спутников в течении всего время наблюдений. Таким образом, некоторые из этих станций расположены в удаленных местах.

Большинство спутниковой аппаратуры референцных станций сети работает с кольцевыми плотно пригнанными антеннами (choke ring antennas), а оставшиеся приемники находятся в стадии укомплектования их подобными антеннами. Такие антенны обеспечивают существенное понижение влияния многолучевости и позволяют, тем самым, получать измерения наивысшего качества по точности.

Оборудование каждой референцной станции включает коммуникационные компоненты различного типа - модемы, маршрутизатор ( устройства для соединения сетей), компьютеры и пр., непрерывные источники электропитания и другое поддерживающее оборудование. К каждой станции может быть обеспечен удаленный доступ и управление. Это необходимо для поддержания сети в ее полной рабочей конфигурации.

Точное положение антенн каждой из референцных станций определено геодезическими методами с использованием данных глобальной сети референцных станций JPL некоторые из которых одно-временно являются станциями сети ITRF (International Terrestrial Reference Frame). Все референцные станции точно привязаны к сети ITRF, которая является геодезической основой для системы GPS, поскольку WGS-84, геодезическая система координат для Навстар была несколько лет назад привязана к сети ITRF. Точность, достижимая в сети референцных станций в настоящее время достаточна высока, поскольку учитываются не только координаты в системе ITRF, но и скорости смещения каждой референцной станции в системе ITRF, учитывающие дрейф тектонических плит во времени от их исходного положения (эпохи). Таким образом, координаты, рассчитываемые в сети с учетом поправок, являются координатами, отнесенными к «текущей эпохе» (ITRF00), полностью согласующимися с геодезическими данными WGS-84 GPS.

Количество референцных станций каждый год увеличивается на несколько единиц для придания сети еще большей избыточности по наблюдениям с целью дальнейшего повышения надежности.

8.4.5. Обработка данных в сети сетевых концентраторов.

В сети имеется два пространственно разделенных сетевых концентратора, один в штате Калифорния (Torrance ) , другой в штате Иллинойс (Moline), которые функционируют полностью

- 81 -

параллельно, каждый непрерывно получая в реальном масштаб времени всю измерительную информацию и рассчитывая поправки, которые передаются затем на Наземные Центры загрузки данных для загрузки на используемые геостационарные коммуникационные спутники.

Оба сетевых концентратора получают измерения по коду, фазе несущей (частоты) каждую секунду от всех референцных станций. Другие необходимые спутниковые данные, такие как эфемериды и статусная информация передаются на сетевые концентраторы с меньшей частотой. На сетевых концентраторах выполняется сортировка, редактирование и обработка этих данных с целью выработки поправок. Широко зонная дифференциальная система имеет дело с несколькими источниками погрешностей. От того, насколько успешно удается справиться с учетом систематичес-ких погрешностей, зависит достигаемый уровень точности. Главными источниками погрешностей являются:

•прогнозирование орбит навигационных спутников (Satellite Orbit);

•временная шкала навигационного спутника (Satellite Clock);

•ионосфера (Ionosphere);

•тропосфера (Troposphere);

•многлучевость в месте приема спутникового сигнала (Reference Site Multipath);

•собственные шумы спутниковой аппаратуры пользователя (Local User Receiver Errors). Несмотря на то, что детали технологии обработки данных в сетевых концентратора является

конфиденциальными, алгоритмы и модели, разработанные в JPL , используются уже в течении многих лет и адаптированы, применительно к использованию в сетях референцных станций несколькими способами. Наиболее ответственными являются поправками к параметрам орбит навигационных спутников и их шкалам времени. Точное предсказание орбит навигационных спутников является наиболее важной задачей для выработки точных поправок в одном из сетевых концентраторов для обработки всех измерений от глобальной сети референцных станций используется фильтр Калмина. Расчеты выполняются каждую минуту для всех навигационных спутников Навстар. Точность вычисленных поправок к орбитам спутников проверяется путем сравнения с аналогичными данными, полученными на станциях мировой сети IGS (International GPS Survice for Geodynamics). Согласование системы координат WGS-84 регулярно осуществляется тем, что по результатам наблюдений на постоянно действующих станциях мировой сети IGS определяются эфемериды навигационных спутников Навстар. В процессе многолетних наблюдений с использованием лазерной локации спутников и радиоинтерферометрии постоянно уточняются сами координаты следящих станций IGS.

Поправки к бортовым шкалам времени навигационных спутников изменяются значительно быстрее и для каждого спутника их необходимо рассчитывать и уточнять каждые несколько секунд. Этот процесс требует нормализации данных временных шкал каждой из референцных станций, который выполняется с помощью использования на некоторых из них стандартов времени. В сети имеется некоторое количество референцных станций, на которых установлены очень точные атомные стандарты времени, используемые в качестве первичных и дублирующих часов. Поправки за влияние ионосферы как правило не рассматриваются, поскольку ионосферная систематическая ошибка практически полностью устраняется использованием двухчастотной аппаратуры как на референцной станции, так и у пользователя. Возможность использования недорогой двух-частотной аппаратуры пользователей является отличительной чертой системы

- 82 -

C-Nav. Систематическая ошибка за счет влияния тропосферы компенсируется использованием моделей, позволяющих вычислить поправки, значительно компенсирующие эту ошибку. Нет необходимости выполнять метеорологические наблюдения для достижения сетевого уровня точности.

Вдополнении к использованию на референцных станциях кольцевых антенн применяется также сложные алгоритмы фильтации, комбинирующие кодовые и фазовые измерения, что позволяет выполнять протяженное сглаживание для устранения многолучевости и шумов. Эта технология хорошо показала себя и обеспечивает эффективное устранение многолучевости, которая способна ухудшить точность поправок к псевдодальностям.

Сетевые концентраторы, кроме всего прочего, являются еще и контрольными станциями всей сети с которые сетевые операторы осуществляют мониторинг, управление и поддержку системы. Сетевые концентраторы в принципе создавались для необслуживаемого функционирования, в условиях, когда обслуживающий персонал всегда наготове, а система предупреждений используется для выдачи рекомендаций оператору в случае возникновения проблем сразу же при их возникновении так, чтобы можно было бы сразу же предпринять необходимые действия. Система предупреждений генерирует тревожные сообщения, когда в работе самой системы: референцных станциях, средствах связи, сетевых концентраторах, наземных центрах загрузки данных или в системе мониторинга качества работы (Monitors) возникают какие-либо проблемы функционирования.

Система предупреждений является очень важным элементом для сети, поскольку обеспечивает автоматическое оповещение операторов о проблемах в работе по мере их возникновения. Это осуществляется различными способами, включая визуальное отображение, звуковую сигнализацию, пейджинговые сообщения, тревожную телефонию и сообщения по электронной почте. Поскольку сеть во многом зависит от избыточности, для обеспечения надежности ее функционирования очень важно, чтобы возникающие проблемы с оборудованием или цепями устранялись бы так быстро, чтобы существование отдельных неисправных точек в сети было бы наименьшим.

8.4.6. Средства связи.

Для того, чтобы обеспечить доступность данных там где они необходимы и в нужный момент времени используется большое разнообразие средств связи. Средства коммуникации включают: Интернет, ретрансляцию кадров (frame relay), ISDN, VSAT и выделенные цифровые каналы (digital circuits).

Одной из ключевых особенностей средств связи является их избыточность. Большинство референцных станций передает свои данные на сетевые концентраторы по сетям Интернет. Такой метод передачи данных показал на практике, что это очень надежный механизм и большое число референцных станций обеспечено защитой от местных или региональных проблем с Интернетом.

ВСША первичным средством связи для референцных станций является ретрансляция кадров которая также используется для соединения между сетевыми концентраторами (каждый из двух сетевых концентраторов обменивается своими данными с другим, с тем чтобы в любое время обеспечить обработку данных возможно большего количества референцных станций; каждый из них осуществляет мониторинг работы другого, чтобы обеспечения правильности работы всей сети).

- 83 -

Интернет также используется для передачи данных от сетевых концентраторов к наземным центрам загрузки данных. Поскольку эти линии связи являются критически важными для всей сети, они продублированы линиями ISDN и VSAT.

Линии связи VSAT обеспечивают космический доступ к наземным центрам загрузки данных, что предохраняет от местных затруднений передачи.

Важным являются два обстоятельства: задержки при передачи данных от референцных станций к сетевым концентраторам были бы минимальны, чтобы обеспечить незамедлительное вычисление поправок к бортовым шкалам времени навигационных спутников, а также чтобы интервал времени передачи этих поправок пользователям также был мал, чтобы не надо было экстрополировать бортовую шкалу спутника за большой промежуток времени. Интернет доказал свою способность обеспечивать приемлемо низкие временные задержки, а время вычислений на сетевых концентраторах, наземных центрах загрузки данных, время загрузки на геостационарные спутник, а также время передачи сообщений наземным пользователям также допустимо мало.

8.4.7. Наземные центры загрузки данных

Наземные центры загрузки данных обеспечивают высоконадежную, избыточную и защищенную среду для загрузки данных на геостационарные спутники. Центры расположены в Великобритании (Goonhilly), Канаде (Laurentides) и Новой Зеландии (Auckland). Каждый центр загружает данные на геостационарные спутники ИНМАРСАТ, глобальный луч каждого из которых покрывает треть земного шара. Цент в Великобритании загружает поправки для Европы

иАфрики. Канадский центрдля Северной и Южной Америки, а цент в Окленде – для азиатского

итихоокеанского региона.

Вкаждом наземном центре загрузки имеются избыточные линии оборудования, которые постоянно находятся в работе. Каждая линия наземного центра загрузки данных получает информа-цию от сетевых концентраторов по многочисленным линиям внешних связей. Например, линия А наземного центра загрузки «Laurentides» (Канада) будет получать данные от сетевого концентратора

«Torrance» (штат Калифорния) по цифровой линии, соединенной с Интернетом, а также по линии VSAT (Very Small Aperture Terminal - терминал со сверхмалой апертурой луча ???????).

Кроме того, эта станция будет получать данные от сетевого концентратора «Moline» (штате Иллинойс) по тем же линиям связи и, таким образом, будет иметь четыре источника данных о поправках.

Линия В наземного центра загрузки «Laurentides» также будет получать данные от тех же четырех источников корректирующей информации. Если оби линии связи VSAT и цифровой канал выйдут из строя, то данные начнут поступать на оби линии посредствам соединения ISDN (Integrated Services Digital Network), которое автоматически будет инициировано с один из двух сетевых концентратора. Каждый наземный центр загрузки сам определяет по какой линии будут поступать данные для загрузки на геостационарный спутник и какой поток данных будет использоваться. Решение принимается на основе анализа качества и количества данных в корректирующем потоке и автоматически изменяется при необходимости.

-85 -

•двухчастотный приемник NCT 2000D обеспечивает GPSизмерения высочайшего качества, пригодные для использования в приложениях, предъявляющих самые высокие требования, включая статическое позиционирование с миллиметровыми точностями;

•запатентованная технология подавления многолучевости, встроенная в специализированную интегральную схему приемника. Это значительно уменьшает искажения от многолучевости для измерений как по CAтак и по P-коду. При объединении с расширенным двучастотным сглаживанием фазы несущих частот ошибка за счет многолучевости при кодовых измерениях существенно уменьшается;

•используется запатентованная технология, обеспечивающая близкое к оптимальному восстановление the P-кода из Y- кода (anti-spoofing Y-code), что приводит к более надежному

слежению за P- кодом;

•небольшие размеры (100 х 75 х 25 мм.) приемника NCT 2000D позволяют легко интегрировать его в небольшое оборудование;

•приемника NCT 2000D обеспечивает выдачу импульса точного времени (1 pps signal). Этот сигнал используется приемником L – диапазона для калибровки своего местного генератора, что облегчает использование поправок временной шкалы сети. Эта технология также запатентована

фирмой NavCom Technology Inc.

Кроме приемника NCT 2000D на рынке имеется еще несколько образцов спутниковой аппаратуры,

обеспечивающей получение поправок по технологии RTG. Все они используют двухчастотный приемник NCT 2000D, однако, конфигурация антенны может быть изменена в зависимости от варианта использования.

Аппаратура SF-2040 G приведена

Рис.8.13. Другие типы аппаратуры: 2040 (слева) и SF-2040G (справа) на рис.8.13.

При обработке измерений в приемнике NCT 2000D двухчастотные кодовые и фазовые измерения используются для формирования сглаженных, свободных от влияния ионосферы псевдодальностей, полученных по кодовым измерениям. При обработке данных RTG в приемнике используется фильтр Калмана, который отдает большее доверие измерениям по фазе несущей, а оценка неоднозначности фазовых измерений осуществляется внутри полного цикла. Измерения от всех видимых спутников используются для формирования оценки неоднозначности насколько возможно более точно. В дополнении обеспечивается получение уточненной оценки тропосферной рефракции на основе использования данных всех спутников. Такое решение позволяет дополнительно убрать влияние тропосферы, которое было недостаточно полно учтено при ее моделировании. Благодаря исполь-зованию одновременно кодовых и фазовых измерений на двух частотах осуществляется практически полное исключение погрешностей за ионосферную рефракцию. В значительной степени снижается влияние погрешностей многолучевости. В результате наиболее высокоточный спутниковый сервис RTG (Real Time Gipsy) обеспечивает точность планового положения 0.15- 0.20 м., а высотного положения 0.30-0.40 м.(95%). Такой

- 86 -

точности определения геодезической высоты вполне достаточно для расчета поправок за уровень при исправлении глубин для съемки по первой, второй категорий в соответствии с требованиями МГО SP-44 (2008) .

Спутниковая навигационная аппаратура (СНА) определяет пространственные координаты в системе ITRF-2000 или WGS84 (G1150). Н настоящее время для морского применения наиболее удобно СНА типа SF-2050R C-NAV, представляет собой «черный ящик». Эта аппаратура имеет отдельные антенны для приема GPSсигналов и корректирующих поправок от геостационарных спутников «Inmarsat». Преимущество раздельных антенн при судовом использовании заключается в том, что сигналы спутников «Inmarsat» могут при определенных условиях быть достаточно слабыми и место расположения антенны должно выбираться с учетом особенностей конкретного носителя. Общей вид аппаратуры SF-2050R фирмы NavCom Technology Inc., показан на рис.8.14. Основные характеристики аппаратуры SF-2050R приведены в приложении 20.

имеет два последовательных порта. Порт А (COM1) используется для выдачи данных в

геодезической высоты. SF-2050R выдает набор предложений протокола NMEA 0183, включая GGA и GST. Геодезическая высота выдается в составе предложения GGA протокола NMEA 0183 в виде двух составляющих: высоты геоида над эллипсоидом и ортометрической высоты антенны. Предложение GST несет информацию об апостериорной оценки точности решения навигационной задачи, путем выдачи средних квадратических погрешностей (СКП): широты (σy),

долготы(σx), высоты(σh), псевдодальности (σ), а также элементов среднеквадратического эллипса ошибок (a,b,T), обеспечивая полную оценку точности расчета координат (см. п. 5.3).

В СНА SF-2050R заложена упрощенная глобальная модель геоида, полученная на основе модели EGM96. Модель геоида EGM96, созданная NIMA (National Imagery Mapping Agency), на основе всемирной базы данных гравиметрических наблюдений, содержит «грид» высот геоида над обще-земным эллипсоидом WGS 84 с размерностью 15’ х 15’ по всему земному шару. В районах с хорошей гравиметрической изученностью точность получения высота геоида по этой модели составляет менее 1 м.. Упрощенная модель геоида, реализованная в СНА SF-2050R, имеет

- 87 -

«грид» 2° х 2°, генерализированный на основе EGM96 и поэтому не может учитывать высокочастотные ондуляции геоида.

8.4.10. Точность определения положения с помощью системы C-Nav

Точность потока данных с поправками RTG беспрецедентна. График, представленный на рис.8.15, изображает результаты полученные на одной из контрольных станций сети в Австралии, которая выполняет расчет текущего положения антенны на основе принимаемых поправок так, как это делается в аппаратуре пользователя. Аппаратное и программное обеспечение контрольной станции идентично тому, которое используется пользователями. На графике показаны отклонения в функции времени по северном и восточном направлении от «истинного» положения за период 24 часа 18 февраля 2002 года.

Среднеквадратические погрешности отклонений текущих координат от их «истинного» значения (положения антенны контрольной станции) в северном и восточном направлениях за весь период наблюдений составили соответственно: 4 и 5 см., а вертикального направления – 13 см.

Рис. 8.15. Точность функционирования поправок в режиме RTG в Австралии

В дальнейшем анализу точности трехмерного позиционирования на основе технологии RTG были посвящены многие исследования. Особый интерес вызывает реальная точность высотной составляющей – геодезической высоты, которая может быть использована для получения поправок уровня.

Точность приливной кривой, которая может быть получена на основе непрерывного определения геодезической высоты уровня моря, зависит от точности определения геодезической высоты с помощью СНА SF-2050R. Вполне понятно желание гидрографов и океанологов привязывать измерения глубин к единой высотной поверхности, физически связанной с уровнем Мирового океана. Такой поверхностью является эквипотенциальная поверхность силы тяжести – геоид. Рассмотрению вопросов использования фазовой спутниковой аппаратуры для определения поправок уровня моря посвящена девятая глава пособия.