ФЕДЕРАЛЬНОЕ АГЕНТСТВО ПО ОБРАЗОВАНИЮ

ТОМСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ СИСТЕМ УПРАВЛЕНИЯ И РАДИОЭЛЕКТРОНИКИ

(ТУСУР)

Радиотехнический факультет

Кафедра радиотехнических систем

(РТС)

ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫЙ РЕЖИМ РАБОТЫСПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ

РефератРТФ ДР.461221.122 ПЗ

________П. О. Шумский«___» __________2008 г.

Руководительпроф. каф. РТС________ Г. С. Шарыгин«___» ___________ 2008 г.

2008

Содержание

Введение................................................................................................................3

1. Спутниковые радионавигационные системы...........................................71.1. Принцип построения..................................................................................71.2. Описание движения спутников.................................................................81.3. Навигационные определения..................................................................11

2. СРНС «НАВСТАР».......................................................................................14

3. Дифференциальный режим работы спутниковой навигационной системы...............................................................................................................16

3.1. Принцип дифференциального режима...................................................193.2. Методы дифференциальной коррекции.................................................233.3. Формат сообщений дифференциальных поправок...............................25

Заключение.........................................................................................................27

Список использованных источников............................................................32

2

Введение

Темой работы объяснение принципа работы спутниковой

радионавигационной системы (СРНС), работающей в дифференциальном

режиме.

СРНС предназначены для всепогодного, пассивного, глобального,

высокоточного навигационно-временного обеспечения всевозможных

потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближайшем

космическом пространстве.

Точность СРНС ухудшают ряд факторов, возникающих из-за

влияния атмосферных явлений и солнечной радиации на параметры

спутниковых сигналов, ухода часов спутников и т.п. Такие ошибки можно

значительно уменьшить, применив дифференциальный режим работы с

использованием стационарного навигационного приёмника,

установленного в точке с заранее определёнными координатами. Такой

приёмник называют базовым. С помощью этого приёмника можно

вычислять корректирующие значения погрешностей, возникающих в

дальномерных спутниковых сигналах.

Состав системы

Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов:

космического сегмента;

сегмента управления (CS - control sеgшеnt);

сегмента потребителей.

Космический сегмент образован орбитальной группировкой,

состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических

аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести

плоскостям, которые разнесены по долготе на 60˚. В каждой плоскости

находится четыре, и, возможно, один резервный НКА, которые двигаются

3

по круговым орбитам с наклонением 55˚ и с полуосью около 26,5 тыс.км.

Период обращения НКА составляет 12 часов.

Сегмент управления состоит из:

Основной станции контроля и управления;

Резервной станция контроля и управления;

Четырех наземных антенн слежения;

Шести наземных станций слежения.

Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе

Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора,

что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.

С помощью наземного сегмента управления осуществляются

высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и

обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите,

частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная

информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции

потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации

приблизительно раз в два часа.

Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и

сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают

сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени.

Приемники GPS используются для навигации, позиционирования,

коррекции времени и других целей.

Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном

пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных

аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для

индивидуального использования.

Передаваемые каждым НКА системы «НАВСТАР» в составе

оперативной информации эфемериды описывают положение фазового

центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей

4

геоцентрической системе координат WGS-84, определяемой следующим

образом:

начало координат расположено в центре масс Земли;

ОСЬ Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в

рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);

ОСЬ Х направлена в точку пересечения плоскости экватора и

нулевого меридиана, определенного Международным бюро

времени (BIH);

ОСЬ Y дополняет геоцентрическую прямоугольную систему

координат до правой.

Геодезические координаты точки в системе координат WGS-84

относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия

которого даны в таблице 1.5.

Геодезическая широта В точки М определяется как угол между

нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора.

Геодезическая долгота L точки М определяется как угол между

плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана, проходящего

через точку М. Положительное направление счета долгот - от нулевого

меридиана к востоку.

Геодезическая высота Н определяется как расстояние по нормали от

поверхности эллипсоида до точки М.

Фундаментальные геодезические константы и основные параметры

общеземного эллипсоида, принятые в системе координат WGS-84

приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Геодезические константы и параметры общеземного

эллипсоида WGS-84

Угловая скорость вращения Земли 7.292115*10-5 радиан/с

Геоцентрическая константа гравитационного поля

Земли с учетом атмосферы

398 600.5 км3/с2

Большая полуось эллипсоида 6 378 137 м

Коэффициент сжатия эллипсоида 1/298.257 223 563

5

Нормированный уровень коэффициента второй

зональной гармоники потенциала (C20)

-484. 16685*10-6

6

1. Спутниковые радионавигационные системы

1.1. Принцип построенияУспехи ракетной техники, приведшие к созданию мощных носителей,

способных обеспечить вывод на орбиты вокруг Земли искусственных

спутников Земли (ИСЗ), привели к идее использовать их для целей

навигации кораблей. Суть идеи заключается в следующем: если источник

радиоизлучения (т.е. радиомаяк) поместить на ИСЗ и знать координаты его

в любой момент времени, то навигационную задачу можно решить так же,

как и в случае маяков наземного базирования, если обеспечить измерение

геометрических величин относительно маяков с привязкой к той же шкале

времени [3].

Для реализации идеи необходимо было решить следующие

проблемы:

обеспечить определение текущих координат и получение эфемерид

ИСЗ, которые позволяют рассчитывать координаты в любой момент

времени вперед;

обеспечить доведение координат ИСЗ (эфемерид) до каждого

потенциального потребителя навигационной информации;

обеспечить доведение до всех потребителей шкалы единого времени

и синхронизацию работы всех включенных в систему ИСЗ.

Прежде чем рассмотреть варианты решения перечисленных проблем,

остановимся на некоторых положениях космической баллистики для

оценки характеристик траекторий движения ИСЗ.

Для длительного существования ИСЗ как небесного тела ему

необходимо придать скорость, превышающую так называемую первую

космическую скорость. Эта скорость равна, примерно, 7.8 км/с (при малых

высотах спутника) и обеспечивает движение по круговой орбите; при

увеличении скорости орбита становится эллиптической, причем

эксцентриситет эллипса растет с ростом скорости. Величина первой

7

космической скорости уменьшается при возрастании высоты ИСЗ над

земной поверхностью, что приводит к увеличению времени обращения

спутника вокруг Земли. Для круговой орбиты высотой Н период обращения

Т характеризуется следующими выборочными значениями:

Н = 250 км, Т = 89 мин; H = 1000 км, Т = 96 мин;

Н = 20240 км, Т = 12 час; Н = 35870 км, Т = 24 час.

1.2. Описание движения спутников

Координаты и составляющие вектора скорости спутников меняются

очень быстро. Поэтому сообщения о параметрах движения спутников

содержат сведения не об их координатах, а информацию о параметрах

некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения ИСЗ на

достаточно большом интервале времени (примерно 1 час). Параметры

аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно

считать постоянными на интервале аппроксимации. Состав параметров

аппроксимирующей модели определяет и состав навигационных сообщений

спутников. Поэтому модель движения, принимаемая в системе для расчета

траекторий движения ИСЗ, является одним из основных понятий,

необходимых для изложения принципов ее функционирования [3].

Самой простой моделью движения ИСЗ является кеплеровская

модель. В этой модели учитывается единственная сила притяжения,

образуемая центральным полем тяготения Земли. Движение ИСЗ,

задаваемое кеплеровской моделью, происходит в фиксированной

плоскости. Текущие полярные координаты ИСЗ в этой плоскости R(t) и

связаны между собой и с параметрами кеплеровской траектории р и е

следующим образом:

(1.1)

где R(t) – расстояние;

8

- фокальный параметр;

е – эксцентриситет;

- угол, называемый истинная аномалия.

Текущие координаты R(t) и образуют вектор называемый

радиус-вектор ИСЗ.

Для определения положения ИСЗ в каждый момент времени

необходимо найти связь между истинной аномалией и временем t. В

кеплеровской модели такая связь задается уравнением Кеплера, которое для

эллиптической орбиты имеет вид:

(1.2)

где - момент времени прохождения ИСЗ через перигей орбиты;

- большая полуось эллипса;

- гравитационный параметр Земли;

- эксцентрическая аномалия (промежуточная величина, тоже угол).

Решив последнее уравнение относительно для заданного момента

времени , значение находится по формуле:

(1.3)

Если элементы , , дополнить величинами, характеризующими

положение плоской орбиты относительно неподвижной геоцентрической

системы координат Oxyz, то такая совокупность величин будет полностью

определять кеплеровское движение ИСЗ.

В качестве параметров кеплеровской орбиты (кеплеровских

элементов орбиты) наиболее часто используется следующая

совокупностьвеличин (см. рисунок 1.1):

9

Рисунок 1.1 - Орбита спутника Земли и ее элементы

наклонение плоскости орбиты относительно плоскости экватора –

i;

прямое восхождение (или долгота) восходящего узла орбиты – Ω;

угловое расстояние перигея орбиты от восходящего узла (аргумент

перигея) υ;

эксцентриситет орбиты - с;

большая полуось эллипса – а

время прохождения спутника через перигей орбиты - tп

Еще раз отметим, что указанная шестимерная совокупность

параметров орбиты позволяет рассчитать координаты ИСЗ в любой момент

времени в геоцентрической экваториальной системе координат Oxyz или

любой другой, связанной с ней аналитическими зависимостями. В свою

очередь, элементы орбиты рассчитываются по измененной шестимерной

характеристике движения ИСЗ по орбите в определенный момент времени.

Такой характеристикой могут быть три координаты и три проекции вектора

скорости. Измерение характеристик движения, расчет элементов орбиты и

передачу последних на борт навигационных ИСЗ для ретрансляции

10

потребителям осуществляет система орбитальных измерении, состоящая из

сети измерительных пунктов и координационно-вычислительного центра.

1.3. Навигационные определения

В СРНС второго поколения применяется дальномерно-доплеровский

метод. В среднеорбитальных дальномерно-доплеровских СРНС

определяются местоположение, величина и направление вектора скорости

потребителя в любой момент времени и в любой точке на поверхности

Земли и околоземного пространства. Для этого в системе обеспечивается

одновременная связь потребителя не менее чем с четырьмя спутниками.

Все спутники ведут синхронное излучение дальномерных сигналов

(ошибки синхронизации малы и не превышают 10-20 нс). В аппаратуре

потребителя измеряется задержка спутникового сигнала относительно

меток времени местной шкалы, вырабатываемых в аппаратуре потребителя.

Эта задержка складывается из задержки сигналов при распространении в

пространстве и разницы хода часов на спутниках и аппаратуре потребителя.

Произведение этой суммарной задержки на скорость распространения

сигнала принятого называть псевдодальностью.

Обозначим координаты потребителя на момент приема через

, а координаты j-го спутника на момент времени,

предшествующий моменту приема на время распространения, - через

. Тогда можно составить следующую систему нелинейных

уравнений:

(1.4)

где - разница хода часов потребителя и спутникового времени;

- значение задержки спутникового сигнала относительно меток

времени шкалы потребителя.

Если число спутников не менее четырех, то вышеуказанная система

11

может быть разрешена относительно четырех неизвестных и .

Таким образом, помимо координат одновременно определяется .

Необходимые для решения уравнения координаты спутников

извлекаются из навигационных данных.

Предыдущее выражение можно переписать следующим образом:

(1.5)

где

- измеренное значение дальности или псевдодальность;

Шкала времени спутника, и частота его несущего колебания

задаются от одного и того же бортового генератора. Аналогично шкала

времени приемника потребителя, и частота его гетеродина также

задаются от эталона частоты приемника. Такое единство порождает связь

расхождения шкал времени с расхождением частот:

(1.6)

где - частота гетеродина приемника потребителя, рассматриваемая

как функция времени в связи с относительно не высокой стабильностью

эталона частоты приемника потребителя;

- частота несущего колебания спутника – полагается постоянной,

поскольку формируется от гораздо более стабильного бортового

генератора. Относительная стабильность бортовых генераторов СРНС

составляет величину порядка ;

- начальная расстройка шкал времени.

Если продифференцировать выражение для расстояний по времени,

то получим:

(1.7)

12

умножив левую и правую части последнего равенства на где

- длина волны несущей j-го спутника:

(1.8)

Для члена получаем:

(1.9)

В предположении, что номинальное значение частоты гетеродина

приемника потребителя величина есть смещение частоты

гетеродина относительно своего номинального значения.

С учетом (1.11) из (1.10) получаем:

(1.10)

где -измеренное значение доплеровского смещения частоты в

аппаратуре потребителя.

Дифференцируя в (1.10) по времени, получаем систему уравнений

относительно четырех неизвестных и :

(1.11)

необходимые решения этой системы значения находятся в

результате обработки измерений псевдодальностей. Значения

извлекаются из эфемеридных данных, сообщаемых спутниками. Таким

образом, по мимо составляющих вектора скорости потребителя

одновременно определяется [3].

13

2. СРНС «НАВСТАР»

Глобальная спутниковая система «НАВСТАР» предназначена для

высокоточного определения пространственно-временных координат и

составляющих скорости объектов-потребителей. Система разработана по

заказу и находится под управлением МО (ВВС) США [5].

Система предоставляет два вида обслуживания [6]:

1. Standard Positioning Service (SPS) - стандартное обслуживание

по определению местоположения, предназначенное для

гражданских пользователей;

2. Precise Positioning Service (PPS) - точное обслуживание по

определению местоположения, предназначенное для военных и

авторизованных пользователей, имеет более высокую точность

по сравнению с SPS.

Гражданские пользователи во всем мире используют SPS без

ограничений. Большинство приемников может принимать сигнал SPS.

Точность такой системы преднамеренно понижена до следующих значений:

горизонталь 100 метров;

вертикаль 156 метров;

время 340 наносекунд.

Стандартное обслуживание по определению местоположения

предоставляется с использованием сигнала «НАВСТАР» L1. Сигнал Ll

передается всеми спутниками, входящими в состав группировки и содержит

так называемый грубый код (С/А) и данные навигационного сообщения.

Сигнал L1 также содержит точный код (P), который зарезервирован для

военного использования и не является частью SPS.

Спутники «НАВСТАР» также передают сигнал L2, который не

является частью SPS.

Авторизованные пользователи с криптографическим оборудованием,

ключами и специально оборудованными приемниками используют PPS. К

14

ним относятся американская армия, некоторые американские

правительственные агентства и некоторые гражданские пользователи.

Точность этой системы:

горизонталь 22 метра;

вертикаль 27.7 метров;

время 100 наносекунд.

Здесь приведены показатели точности «НАВСТАР» из Федерального

плана радионавигации 1994 года. Приведенные показатели имеют точность

95% и выражают значение двух среднеквадратичных отклонений. Для

горизонтальных рисунков (цифр, показателей) 95% точность - эквивалент 2

drms (two distance rооt-mеаn-squаrеd), или два радиальных

среднеквадратичных отклонения. Для вертикали и времени 95% точность -

значение двух стандартных отклонений ошибки по высоте или ошибки по

времени.

Изготовитель приемника может использовать другие меры точности.

Среднеквадратичная (Root mеаn square - RМS) ошибка - значение одного

среднеквадратичного отклонения (68%). Вероятная круговая ошибка

(Circular Erоr Probable - СЕР) - значение радиуса круга, центрированного

при фактическом положении, который содержит 50% оценок положения.

Вероятная сферическая ошибка (Spherical Erоr Probable - SEP) -

сферический эквивалент вероятной круговой ошибки, который является

радиусом сферы, центрированной при фактическом положении, которая

содержит 50% из трех оценок положения. В противоположность 2 drms,

drms или RМS; СЕР и SEP не подвержены воздействию больших грубых

ошибок. В спецификациях некоторых приемников горизонтальная точность

указывается в RМS или СЕР без учета SA, делая эти приемники "более

точными" чем те, в которых используются более консервативные меры

ошибки.

15

3. Дифференциальный режим работы спутниковой

навигационной системы

Глобальная Система Определения Координат Местоположения (GPS)

является системой определения местоположения на базе спутниковой

информации, которая непрерывно функционирует в течение 24 часов

каждый день. GLONASS является такой же системой. В настоящее время

планируется дополнить эти системы геостационарными спутниками с

передатчиками, работающими в том же частотном диапазоне [7].

В интегральном составе эти системы называют Глобальными

Навигационными Спутниковыми Системами (GNSS).

В основе метода дифференциальной навигации, лежит относительное

постоянство значительной части погрешности измерения навигационной

величины или погрешности расчета координат во времени и в пространстве.

Необходимость использования дифференциального режима СРНС

определяется стремлением удовлетворить наиболее жесткие требования

навигационного обеспечения таких задач, как посадка воздушных судов,

мореплавание в проливных зонах и узкостях, геодезическая привязка и т.п.

Дифференциальный режим GNSS достигается за счет размещения

опорной станции с приемником GNSS в точке с известными координатами,

определения поправок к сигналам дальности спутников и передачи этих

поправок пользователям. Это исключает большую часть ошибок смещения,

общих для всех приемников и значительно улучшает позиционную

точность. Точность после этого ограничивается шумами приемника

пользователя, межканальными смещениями и неопределенностями

дифференциальной станции.

Специальный комитет 104 RTCM (SC-104) “Дифференциальное

функционирование GNSS” имеет технические и официальные издания, а

также сформулированные рекомендации в следующих областях:

16

1. Сообщение с данными и формат - Сообщение, элементы

которого определяют поправки, сообщения о состоянии,

параметрах станции и служебных данных определены в

деталях. Они структурированы в формат данных, подобных

тому, в котором выдаются сигналы GPS спутников, но при этом

используются форматы переменной длины.

2. Интерфейс пользователя - Определен стандартный интерфейс,

который позволяет использовать приемник во взаимодействии с

множеством различных линий передачи данных. Например, при

использовании стандарта, приемник может применяться со

спутниковой или радиомаячной линией передачи данных.

Ранее комитет решил, что поправки должны относиться к измерениям

псевдодальности, а не к измеренному положению, несмотря на то, что

результирующее сообщение значительно длиннее. Причина заключается в

том, что пользователь и опорная станция могут использовать различные

спутники, в зависимости от большого числа условий. Если это происходит,

даже в том случае, когда три из четырех спутников одинаковы,

позиционная ошибка от одного не общего спутника может быть слишком

велика.

Причины, по которым пользователь и опорная станция отрабатывают

данные от разных спутников, следующие:

Критерий выбора спутников приемниками может быть разным.

Рельеф или кривизна земли могут затенять низко

расположенные спутники от пользователя или опорной

станции.

Приемник пользователя может применять стратегию

использования всех спутников, находящихся в поле зрения, по

которой все видимые спутники используются для определения

местоположения.

17

Линия передачи данных

Опорная станция

Пользователь

GNSS спутник

GNSS спутник

GNSS спутник

GNSS спутник

GNSS спутникGNSS спутник

GNSS спутник

Набор спутников доступных в месте нахождения пользователя

может отличаться от того, который доступен в месте

размещения опорной станции.

Передаваемые поправки к псевдодальностям всех спутников, которые

находятся в поле зрения опорной станции, могут использоваться

приемником пользователя в дифференциальном режиме (т.е. выбираются

только те поправки, которые относятся к спутникам, находящимся в поле

зрения пользователя) для определения местоположения. Геометрия

дифференциальной GNSS показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Геометрия дифференциальной GNSS.

Дифференциальный режим GPS и/или GLONASS предполагает

получение точностей 1-10 метров для динамических навигационных

приложений. При использовании кинематической технологии обработки

фазы несущей GNSS в дифференциальном режиме можно достичь

точностей лучше, чем 10 см для небольших дальностей, менее 20 км.

Базовая концепция дифференциального режима GNSS подобна той, какая

18

используется в дифференциальном режиме LORAN-C, в

дифференциальном режиме OMEGA и в режиме транслокации,

применяемом в TRANSIT.

Дифференциальная технология работает, если преобладающие

ошибки являются систематическими ошибками, вызванными причинами,

находящимися вне приемника. Это относится к случаю GPS и GLONASS

[7]

3.1. Принцип дифференциального режима

Дифференциальный режим работы системы состоит в следующем.

Сигналы с навигационных спутников принимаются не только конечным

потребителем, но и базовой (базовыми) станциями с известными

координатами. Базовая станция вычисляет величину поправки измеренных

координат относительно истинных заранее известных. Далее, основываясь

на гипотезе что постоянная составляющая погрешности потребителя и

базовой станции приблизительно равны, эта поправка отправляется

потребителю и учитывается при расчетах координат потребителя.

Источники [1, 8] позволяют провести следующую классификацию

современных дифференциальных систем спутниковой навигации.

1. Системы дифференциальной навигации по кодовым и псевдофазовым

измерениям. Системы дифференциальной навигации по кодовым

измерениям строятся на основе измерения и обработки

псевдодальностей, в общем случае, имеют неограниченную область

действия и характеризуются ошибками местоопределения от долей

метра до нескольких метров. Системы дифференциальной навигации

по псевдофазовым измерениям характеризуются очень высокой

точностью местоопределения (до долей сантиметра). Однако область

их действия ограничена дальностью ~10–12 км в одночастотном

19

режиме и ~100 км в двухчастотном режиме. Специфической

особенностью дифференциальных систем по псевдофазовым

измерениям является неоднозначность этих измерений,

затрудняющая их использование. Системы дифференциальной

навигации по псевдофазовым измерениям иногда называют

системами относительных определений [8].

2. Системы дифференциальной навигации по кодовым измерениям, в

свою очередь, разделяют на локальные (Local Area Differential GPS),

широкодиапазонные (Wide Area Differential GPS, WADGPS) и

глобальные (Global Differential GPS, GDGPS). Дальнейшая

уточняющая классификация систем дифференциальной навигации

будет проводиться только для систем на основе кодовых измерений.

3. Большинство современных систем дифференциальной навигации

являются локальными. Они используют только одну наземную

станцию измерений и формирования дифференциальных поправок

(далее будем называть её дифстанцией). Дифстанция располагается в

центре локальной зоны, размер которой согласно [8] может доходить

до 200 км. В центре зоны обеспечивается точность местоопределения

порядка 0,5–1 м. На периферии зоны точность ухудшается и

постепенно приближается к точности абсолютных местоопределений.

Дифференциальные поправки в локальных системах

дифференциальной навигации могут формироваться на основе метода

коррекции координат (the position–domain approach) и метода

коррекции навигационных параметров (the measurement–domain

approach). На практике большее распространение получил второй

метод, в котором дифстанция формирует поправки к измерениям

псевдодальностей для каждого из видимых ею спутников.

Потребитель поправляет свои измерения псевдодальностей по тем же

спутникам на значения, полученные от дифстанции. Для передачи

поправок, сформированных в соответствии с методом коррекции

20

навигационного параметра, был разработан специальный стандарт

RTCM SC-104, учитывающий в настоящее время особенности

навигационных систем GPS.

21

4. В широкодиапазонных системах дифференциальной навигации

(WADGPS) используется сеть станций сбора информации (ССИ) и

принципиально иной метод формирования дифференциальных

поправок. Этот метод получил название the state-space approach

(дословно - метод коррекции параметров пространства состояния или,

более содержательно, метод коррекции параметров моделей

движения КА, параметров модели ионосферных задержек и смещений

шкал времени навигационных спутников). В широкодиапазонных

системах измерения двухчастотных навигационных приёмников,

расположенных на станциях сбора информации (ССИ), собираются в

единый центр, где осуществляется их совместная обработка с целью

оперативного уточнения параметров моделей движения КА,

смещения шкал времени спутников и составления карт вертикальных

ионосферных задержек. Все перечисленные данные затем оперативно

передаются тем или иным способом потребителю, который

использует их для уточнения данных, извлекаемых им из сигналов

навигационных спутников. Согласно [8], широкодиапазонные

системы дифференциальной навигации обеспечивают точность

местоопределения со среднеквадратической ошибкой ~0,5 м в

области, охватываемой сетью ССИ, и смежных с ней областях. В [8]

указывается на сильную корреляцию между ошибками оценки

смещений шкал времени и ошибками оценки вертикальных

координат приёмника. Такая корреляция возникает вследствие

идентичности соответствующих частных производных, особенно для

спутников с большими углами места. Стабилизация опорных частот

приёмников станций сбора информации и приёмника потребителя с

помощью рубидиевых генераторов позволяет лучше разделять

ошибки оценки смещения шкал времени и вертикальных координат

приёмника. Результаты соответствующих экспериментов

22

демонстрируют среднеквадратические ошибки вертикальных

координат меньше 0,4 м.

Дополнительным, очень важным свойством широкодиапазонных

систем является возможность резкого повышения целостности, по

сравнению с целостностью, свойственной базовыми спутниковыми

системами.

В настоящее время в мире известны только две широкодиапазонных

системы дифференциальной навигации. Первая система WADGPS

принадлежит фирме Satloc. Вторая система WAAS (Wide Area Augmentation

System) прина длежит правительству США. Обе системы развёрнуты и

эксплуатируются на территории США. В системе WADGPS фирмы Satloc

потребителю сообщается карта вертикальных ионосферных задержек с

шагом 2°. В системе WAAS, в зависимости от класса точности, потребитель

может использовать карты вертикальных ионосферных задержек разной

точности. Наиболее подробные карты содержат до 929 точек прокола

ионосферы (IPP - ionosphere pierce points) [8].

Согласно [8], функционирование широкодиапазонных систем

дифференциальной навигации основано на использовании трёх основных

видов программного обеспечения. Первый вид — программное обеспечение

уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников. Второй

вид — вычисление подробных карт вертикальных ионосферных задержек.

Третий вид — программное обеспечение, организующее непрерывное

функционирование наземной сети дифференциальной системы в реальном

масштабе времени.

5. По своей структуре глобальные системы дифференциальной

навигации (GDGPS) очень схожи с широкодиапазонными системами

(WADGPS). Они так же используют наземную сеть станций сбора

информации и тот же метод формирования дифференциальных

23

поправок (the state-space approach). Основное отличие заключается в

том, что исключение ионо-сферных ошибок в глобальных системах

дифференциальной навигации осуществляется путём использования

двухчастотных измерений [8].

В настоящее время можно указать на существование пока что

единственной в мире глобальной системы дифференциальной навигации,

использующей в качестве основы станции глобальной GPS сети (GGN)

NASA. Для передачи измерений в центр обработки используется

глобальная сеть Internet.

3.2. Методы дифференциальной коррекции

Предполагается, что за счет соответствующего исключения влияния

движения спутника и обработки измеренных данных, информация может

быть, в принципе, оптимально отфильтрована с тем, чтобы обеспечить

прогнозирование ошибок по дальности и по скорости изменения дальности

для следующей передачи сообщений. Ошибка по дальности и по скорости

изменения дальности для каждого спутника может быть величиной, которая

обеспечивает наилучшие среднеквадратические ошибки для периода

следующего сообщения. Причиной такого предположения является тот

факт, что наземная станция, будучи стационарной и выполняющей

обработку информации о фазе несущей, может выполнять

прогнозирующую фильтрацию сигналов спутников и может обеспечивать

лучшие оценки поправок, чем может генерировать приемник пользователя.

Однако это является выгодным только для тех приложений, где

пользователи применяют коррекцию в заранее определенных и равных

интервалах по отношению к метке времени поправок. Для общего целевого

использования рекомендуется, чтобы каждая поправка псевдодальности

24

или изменения скорости псевдодальности была наилучшей оценкой для

момента идентифицированного меткой времени.

Метка времени, отнесенная к DGNSS поправкам, представляется

счетчиком времени, размещенным в заголовке сообщения. Взаимосвязь

этой метки времени ( ) с реальным временем ( ) имеет значительное

влияние на способ, которым пользователь может использовать поправки.

Здесь представлены три метода работы опорной станции, чтобы дать

некоторое понимание о работе DGNSS в дифференциальном режиме.

По прошедшему: Счетчик времени может представлять некоторую

величину в прошлом, которая имеет достаточно измеренной информации до

и после счета времени ( ), чтобы сделать очень точную оценку PRC и RRC

в момент счета времени ( ). Передаваемые поправки, полученные на

основе такой техники, подразумевают пост-обработку определенного типа

со стороны пользователя. Пользователь может выполнять обработку близко

к реальному времени, выполняя свое решение в интервале . Измерения

псевдодальности сохраняются пока не получена поправка для этого

момента. После этого пользователь будет применять поправки без какой-

либо задержки корректирующих данных. Чтобы получить навигационную

информацию в реальном времени, приемник пользователя должен

прогнозировать данные местоположения на текущее время , используя

данные о скорости, или инерциальные, или другие датчики. Эта техника

также хорошо применима к методу “Текущий”.

Текущий: Счет времени ( ) для PRC и RRC должен быть в пределах

0.6 секунды от последней последовательности измерений, используемых в

формировании данной поправки. В этом случае время ожидания в

поправках может быть вызвано только задержками в передаче сообщений

от опорной станции через некоторый промежуточный передатчик и

приемник пользователя. Этот метод будет выдавать точные результаты в

реальном времени. Пользователь может компенсировать задержку в линии

25

передачи данных также, как вслучае техники “По прошедшему”,

представленной выше.

Будущий: Счет времени ( ) может быть сдвинут в будущее, чтобы

компенсировать задержку в линии передачи данных. Этот метод требует

точного знания ускорения псевдодальности. Этот метод будет вносить

ошибку в поправки, если ускорение псевдодальности значительно

изменяется в интервале между временем измерения и прогнозируемым

временем. В этом случае пользователь не способен “убрать” эту ошибку,

используя поправки в момент счета времени ( ). В сценарии, где ускорения

являются значительными и хорошо известными, данная техника может

повысить точность пользователя в реальном времени.

Метод, выбранный производителем обслуживания, должен

удовлетворять требованиям специального обслуживания. Многие

приложения, требующие высокой точности, не требуют реального

фактического времени для обновления дифференциальных данных GNSS.

Способность, близкая к реальному времени (< 30 секунд), может быть

удовлетворительной. Метод “Текущий” обеспечивает наилучшие

характеристики реального времени без искажения поправок ошибками

прогнозирования. Для пользователей реального времени поправки легко

пролонгируются вперед на текущее время ( t) и пользователи могут

получать наилучшую точность в момент счета времени ( ), близкого к

реальному времени.

3.3. Формат сообщений дифференциальных поправокЧтобы обеспечить общность программного обеспечения

пользователя, обеспечить строгую способность выявления ошибки и

минимизировать изменения по отношению к версии 2.1 Стандарта, которая

относилась только к дифференциальной GPS, формат данных для

дифференциальной GNSS был скопирован с формата данных GPS, хотя он

и расходится с ним в чем-то, когда возникают другие требования. Однако,

размер слова GPS, формат слова, алгоритм четности и другие

26

характеристики сохранены. Наибольшее различие заключается в том, что

дифференциальный стандарт использует формат сообщения переменной

длины, тогда как формат GPS имеет фиксированную длину подкадров.

Сохранение характеристик объясняется следующими причинами [7]:

1) Строгий алгоритм четности требуется для выделения ошибок в

данных, не допуская использования неверных поправок, которые могут

оказать влияние на безопасность пользователя.

2) Алгоритм четности GPS является общеизвестным и отработанным

алгоритмом, с которым пользователи знакомы и который уже закодирован в

приемнике пользователя.

3) Алгоритм четности перекрывает границы слова и разрешает

знаковую неоднозначность, вносимую двухфазной модуляцией передачи

данных.

4) 30-ти битовые слова (когда они сопоставляются с 32-х битовыми

словами) в сочетании со скоростью передачи в 50 Гц обеспечивают

удобную способность синхронизации, где моменты времени границ слова

представляют собой величины, кратные 0.6 секунды. Граница каждого

пятого слова совпадает при умножении с 3-мя секундами. Если бы

использовались 32-х битовые слова, граница слова попадала бы на

целочисленное значение только один раз в 16 секунд.

27

Заключение

Точностные характеристики СРНС определяются уровнем погрешно-

стей, сопутствующих навигационным определениям (погрешности

определения псевдодальности ― ПД) и геометрическому расположению

используемому для оценки место ИСЗ и АП.

Погрешность измерения ПД складывается из погрешностей

следующих составляющих:

- эфемеридная информация;

- частотно-временная синхронизация;

- шумы приемника;

- внешние помехи;

- тропосферные задержки;

- ионосферные задержки;

- наличие переотраженных сигналов (многолучевость).

При статистической независимости этих погрешностей, что

практически всегда имеет место, дисперсия погрешности оценки ПД равна

сумме дисперсий перечисленных составляющих. Величины составляющих

могут существенно различаться и имеют различные временные интервалы

изменчивости. Последнее приводит к различному проявлению их на этапе

последовательного многократного измерения ПД и места в сеансе

местоопределения. По различным оценкам уровень погрешности (СКО)

определения псевдодальностей по легко обнаруживаемому коду (C/A)

находится в пределах 6,2–6,6 м и 7,7–9,6 м соответственно для

околозенитных и пригоризонтных ИСЗ.

Измеренное значение ПД пересчитывается к измеренной дальности,

которой соответствует поверхность положения. Пересечение трех

поверхностей положения определяет местоположение АП.

28

Среднеквадратическая погрешность определения поверхности

положения связана с погрешностью измеренного навигационного

параметра σi соотношением:

где ― коэффициент ошибки (погрешности).

Для дальномерного измерителя к = 1.

Среднеквадратическая погрешность определения места по

минимально необходимому числу измерений с некоррелированными

погрешностями рассчитывается по формуле:

,

где ; , ― среднеквадратические

погрешности определения поверхностей положения; ― угол

пересечения 1 и 2 поверхностей положения в месте расположения

источника излучения; ― среднеквадратическая погрешность

определения линии пересечения 1 и 2 поверхностей положения; ― угол

пересечения третьей поверхности положения с линией пересечения первых

двух.

Приведенные выражения показывают, что связь между погрешностью

измерения псевдодальности и погрешностью места осуществляется

посредством некоторого коэффициента (коэффициентов), зависящих только

от взаимного расположения АП и ИСЗ, точнее, от углов пересечения

поверхностей положения. Рассмотрим геометрический фактор, называемый

в иностранной литературе ― коэффициент ухудшения точности (GDOP ―

Geometric Diluction of Precision). Введено несколько видов коэффициентов:

PDOP (пространственный, трехмерный), HDOP (горизонтальный,

двумерный), VDOP (по высоте). Аналогичные понятия введены для

погрешностей определения скорости и времени.

29

Недостаточный GDOP (большое значение) соответствует случаю,

когда множества используемых спутников отличаются по положению на

небесной сфере незначительно или напротив расположение элементов

созвездия, обеспечивающее повышенную точность местоопределения

достаточному GDOP. (см. рис. 4.10).

Рис. 4.10. Расположение ИСЗ, обеспечивающее низкую (слева большой GDOP:

5−10) и высокую (справа GDOP <4) точность

Существует несколько видов погрешностей (ошибок), вызываемых

различными причинами. Условно их разделяют на шумовые ошибки,

ошибки смещения и случайные грубые ошибки. Качественное проявление

видов ошибок представлено на рис. 4.12.

Шумовой разброс. Систематическое Грубая ошибка.

– заданные координаты;

– измеренные координаты.

Рис. 4.11. Проявление шумовой ошибки, ошибки смещения и грубой

ошибки

30

Шумовые ошибки обусловлены шумами приемника (примерно 1 м) и

комбинациями кодовых сигналов дальности (примерно 1 м).

Источники ошибок смещения (систематической ошибки) следующие:

ошибки спутниковых часов, неисправленные сегментом управления (могут

приводить к ошибкам порядка одного метра); ошибки эфемероидных

данных (до 1 м); тропосферные задержки (до 1 м); не моделируемые

ионосферные задержки (до 10 м; используемая модель учета ионосферной

задержки может устранить только приблизительно половину из возможных

70 нс задержки; остающиеся же 10 м являются следствием

неопределенности этой модели); влияние отраженных радиосигналов (до

0,5 м) от близко расположенных поверхностей, которые интерферируют с

сигналом, следующим по прямому направлению от спутника.

Грубые ошибки могут приводить к ошибкам в сотни километров и

более. Причины их следующие. Ошибки сегмента управления из-за

компьютерной или человеческой ошибки могут вызывать ошибки от одного

метра до сотен километров. Ошибки пользователя, включая неправильный

ввод геодезических данных, могут вызывать ошибки от 1 до сотен метров.

Ошибки приемника из-за программного обеспечения или отказов

аппаратных средств могут вызывать ошибки любого размера.

В целом шумовая и систематические ошибки смещения, объединяясь,

приводят к типичным ошибкам расстояния около пятнадцати метров для

каждого из спутников, используемых при определении координат.

При эксплуатации системы NAVSTAR предусмотрено намеренное

снижение точности (SА) временным дрейфом дальномерных кодов,

изменяющимся с течением времени для того, чтобы ограничить точность

для всех пользователей, кроме американской армии и нескольких

правительственных агентств. Потенциальная точность С/А-кода (30 м)

таким образом уменьшалась до 100 м (два среднеквадратичных

отклонения). SA в каждом спутниковом сигнале различна, поэтому ошибка,

возникающая в результате навигационного решения – функция SA каждого

31

ИСЗ, используемого в решении задачи навигации. Так как SA имеет период

в несколько часов, то определение положения, или индивидуальные

псевдодиапазоны SА не могут быть устранены путем усреднения за более

короткий период. В настоящее время намеренное снижение точности

отключено.

C учетом всех составляющих погрешностей, на одночастотном

оборудовании с использованием C/A кода гарантировано получается

объявленная точность по координатам (широта, долгота) для системы GPS

равную ~100 метров (максимальная ошибка).

32

Список использованных источников

1. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и ее приложения. – М.:

Эко – Трендз, 2003. – 326 с.;

2. Радиопередающие устройства. Под ред. О. А. Челнокова. – М.:

Связь, 1982.

3. Дудко Б. П., «Космические системы навигации», курс лекций,

Томск 2003г.;

4. «ГЛОНАСС», Интерфейсный контрольный документ, редакция

5, Москва, 2002г., 60с.;

5. Шебшаевич В. С., «Сетевые спутниковые радионавигационные

системы», Радио и связь, Москва, 1993., 408с.;

6. Global Positioning System standart positioning service performance

standard, 2001г., 66с.;

7. Стандарты, рекомендуемые RTCM для функционирования GNSS

(глобальной навигационной спутниковой системы) в

дифференциальном режиме;

8. http://www.gpsinfo.ru/articles.php?article=1558

9. Конин В.В. Спутниковые системы и технологии. (Курс лекций

Национального Авиационного Университета). – Киев.: 2005.

10. http://www.geomatica.kiev.ua/training/DataCapture/GPS/chapter100.html

11.http://www.tae.su/site . Блоки питания для промышленных

компьютеров

12.Платы последовательного интерфейса http://www.datasystems.ru/

13.Коммуникационные платы (мультиплексоры) C168H.

http://networkmanuals.ru

14.Верещагин Е. М., Никитенко Ю. Г. Частотная и фазовая

модуляция в технике связи. – М .: Связь, 1974. – 224 с.

15.http://www.gaw/ru

16.Баскаков. Радиотехнические цепи и сигналы. – М.: Связь, 2002.

33