2.7 Диференціальний режим

Супутникові навігаційні системи дозволяють споживачу отримати координати з точністю порядку 10-15 м. Однак для багатьох завдань, особливо для навігації в містах, потрібна велика точність. Один з основних методів підвищення точності визначення місцезнаходження об'єкта заснований на застосуванні відомого в радіонавігації принципу диференціальних навігаційних вимірювань.

Диференціальний режим DGPS (Differential GPS) дозволяє встановити координати з точністю до 3 м у динамічній навігаційної обстановці і до 1 м - у стаціонарних умовах. Диференціальний режим реалізується за допомогою контрольного GPS-приймача, званого опорної станцією. Вона розташовується в пункті з відомими координатами, в тому ж районі, що й основний GPS-приймач. Порівнюючи відомі координати (отримані в результаті прецизійної геодезичної зйомки) з виміряними, опорна станція обчислює поправки, які передаються споживачам по радіоканалу в заздалегідь обумовленому форматі.

Апаратура споживача приймає від опорної станції диференціальні поправки і враховує їх при визначенні місцезнаходження споживача.

Результати, отримані за допомогою диференціального методу, в значній мірі залежать від відстані між об'єктом і опорною станцією. Застосування цього методу найбільш ефективно, коли переважаючими є систематичні помилки, зумовлені зовнішніми (по відношенню до приймача) причинами. За експериментальними даними, опорну станцію рекомендується розташовувати не далі 500 км від об'єкта.

В даний час існують безліч широко зонних, регіональних і локальних диференціальних систем.

В якості широко зонних варто відзначити такі системи, як американська WAAS, європейська EGNOS і японська MSAS. Ці системи використовують геостаціонарні супутники для передачі поправок всім споживачам, що знаходяться в зоні їх покриття.

Регіональні системи призначені для навігаційного забезпечення окремих ділянок земної поверхні. Зазвичай регіональні системи використовують у великих містах, на транспортних магістралях і судноплавних річках, в портах і по березі морів і океанів. Діаметр робочої зони регіональної системи зазвичай складає від 500 до 2000 км. Вона може мати у своєму складі одну або декілька опорних станцій.

Локальні системи мають максимальний радіус дії від 50 до 220 км. Вони включають зазвичай одну базову станцію. Локальні системи зазвичай поділяють за способом їх застосування: морські, авіаційні та геодезичні локальні диференційні станції.

2.4 Структура навігаційних радіосигналів системи gps

Супутники GPS передають два типи різних сигналів : сигнал точного коду, або P код (з листопада 1994 року замінений на крипто стійкий Y код) та сигнал грубого коду, або C/A код.

P код призначений для використання санкціонованими військовими користувачами і забезпечує так зване точне позиційне обслуговування. В цілях обмеження доступу до Y коду несанкціонованим споживачам США можуть внести в Y код елемент шифрування.

Код C/A призначений для використання невоєнними споживачами і забезпечує так зване стандартне обслуговування за визначенням місця розташування. В порівнянні з Y кодом C/A код характеризується меншою точністю і стійкістю до дії активних умисних радіоперешкод. Крім того, захопити цей сигнал легше, і тому військові приймачі спочатку відстежують C/A код, а потім переходять на Y код. Військові органи США можуть знизити точність C/A кода, використавши для цього так званий метод селективного доступу . Таким чином, селективний доступ дозволяє контролювати рівень точності, що надається усім користувачам стандартним обслуговуванням за визначенням місця розташування.

        Для знаходження тривимірних координат місця розташування користувача (X, Y, Z), що визначають широту, довготу і висоту з урахуванням погрішності виміру часу (четверта невідома величина), вимагається вирішити систему з чотирьох рівнянь. Тому на приймальну станцію повинні поступати сигнали як мінімум від чотирьох супутників. При обчисленні ж площинних координат досить сигналів від трьох супутників. Швидкість визначається по допплерівському зрушенню частоти сигналу, що несе, супутник, що викликається рухом користувача. Допплерівське зрушення заміряється при зіставленні частот сигналів — що приймається від супутника і генерованого в приймальній станції. Сигнали, що несуть навігаційну інформацію, випромінюються на двох частотах: 1575,42 Мгц (L1) і 1227,6 Мгц (L2). На другій випромінюються тільки сигнали з військовим кодом P (Y), що несе високоточну інформацію (P — Precision, точний) і захищеним криптографічним методом від імітаційних перешкод, про що свідчить індекс Y. На першій частоті передаються сигнали як з кодом P (Y), так і із загальнодоступним кодом C/A (Coarse Acguition — грубе захоплення), тобто в СРНС NAVSTAR використовується кодовий розподіл сигналів.

Прийом сигналів з кодом P (Y) дає можливість роботи в режимі високої точності вимірів (PPS — Precise Positioning Service), а порівняння часу приходу сигналів на частотах L1 і L2 дозволяє обчислювати додаткову затримку, що виникає при проходженні через іоносферу із-за не лінійності (збільшення шляху) поширення в ній радіохвиль. Визначення часу проходження радіохвилями ділянки "супутник — Земля" при їх прямолінійному поширенні значно підвищує точність вимірів навігаційних даних.

        Прийом сигналів з кодом С/А тільки на одній частоті не дає можливості обчислювати помилки, що вносяться при проходженні радіохвиль через іоносферу. Крім того, сама структура коду забезпечує значно гірші характеристики в режимі стандартної точності вимірів (SPS — Standart Positioning Service).

Сигнали обох кодів є псевдо шумовою послідовністю імпульсів, за допомогою яких здійснюється фазова маніпуляція частоти, що несе. При цьому у разі передачі сигналів з кодами P (Y) і С/А на одній частоті фази передаючих повідомлень, що несе, зрушуються на 90° . В результаті псевдо шумової маніпуляції ширина смуги сигналу, що несе інформацію, збільшується з 100 Гц (подвоєна частота навігаційних посилок 50 Гц) до 20,46 Мгц (код Р) або до 2,046 Мгц (код С / А).

        Військовий код P (Y), що має тривалість 267 діб, складається з самостійних елементів, які тривають приблизно по 7 діб. Кожен супутник використовує свій елемент коду, що дозволяє здійснювати їх розпізнавання. Код С/А — загальнодоступний із за простоти, обумовленої малою тривалістю, може застосовуватися як у військових, так і в цивільних приймальних пристроях. Уся навігаційна інформація передається посилкою тривалістю 1 мс, що містить 1023 біт.