Что такое дифференциальная поправка
GPS трекеры.
ПМП с GPS – новый сегмент рынка GPS устройств
В данном обзоре мы хотим обратить Ваше внимание на резкий рост предложения ПМП различных известных и не очень производителей портативной техники, которые имеют встроенный GPS приемник.
Обзор современного уровня развития GPS, GALILEO, GLONASS и национальных спутниковых систем Китая, Индии и Японии
Как от правильной политики сегодня зависит будущее ГЛОНАСС и будущее Вооруженных сил России завтра!
Причины популярности безлимитных тарифов
Мобильная связь стала незаменимым элементом человеческой жизни. В то же время условия, которые предлагают операторы, нередко ограничивают общение. Избежать этого помогут безлимитные тарифы.
GPS & GSM Азбука
Рейтинг GPS навигаторов
Выбор GPS приемника
Классификатор GPS карт
Как заказать
Оплата и доставка
Гарант.обслуживание
FAQ
О GPS: статьи и обзоры
Отзывы и вопросы
Тех. поддержка
WAAS – глобальная система дифференциальных поправок. Система EGNOS в России.
Введение
Вторая немаловажная роль систем SBAS заключается в контроле целостности и работоспособности GPS спутников. Если по каким то причинам, GPS спутник стал передавать неправильную информацию, либо ошибки навигационных измерений превышают допустимые значения, то ему должен быть присвоен статус «больной», чтобы исключить из алгоритмов вычисления позиции. Все GPS приемники используют информации о «здоровье» спутников из специальных полей альманаха и эфемерид, данные которых корректируются с управляющих наземных GPS станций раз в несколько часов. Соответственно, наземный сегмент системы GPS не может оперативно отреагировать на проблемы в работы спутников, и донести эту информацию до пользователей. Вспомогательные системы SBAS могут передать эти данные в течении нескольких минут.
Навигационные приемники идентифицирую геостационарные спутники WAAS по номерам, значение которых больше 32. Номера с 1 по 32 строго закреплены за спутниками GPS и привязаны к псевдошумовому коду (PRN)
Ниже приведена таблица соответствий между названием спутника, его номером и идентификационным номером, который используется в приемниках «Garmin». Координаты каждого спутника определены только значением долготы, так как широта экватора соответствует 0 градусов.
|
Планируется, что через несколько лет общее количество геостационарных спутников всех SBAS систем может достигнуть 19-и.
Работоспособность EGNOS в России
|
Как видно из таблицы, возвышение спутников в Москве 25-30 градусов. Фактически, спутники находятся не намного выше уровня горизонта. Поэтому в лесу и городах с плотной застройкой, сигнал со спутников EGNOS будет недоступен для приема навигационной аппаратуре. Чем восточнее находится пользователей, тем меньше становится угол, и соответственно, тем сложнее «увидеть» сигнал
Но все же основная проблема заключается не в видимости спутников, а в отсутствии на территории России сети наземных станций для вычисления поправок. Более того, в России нет ни одной базовой станции. Поэтому в составе корректирующих сообщений EGNOS нет данных для «узловых» точек, относящихся к территории России. Исключение составляют западные приграничные территории, которые «захватываются» действием базовых станций, расположенных в Норвегии и Польше.
Точность позиционирования
В качестве экспериментального оборудования использовались две двухчастотные OEM платы геодезического класса, производства «Trimble». Антенна была установлена на 17-и этажном здании, вдали от небоскребов и других высотных зданий, которые бы могли ограничить видимость геостационарных спутников. Приемники были подключенные к одной стационарной GPS антенне. Для проведения сравнительного анализа, на одном из них был отключен режим WAAS. Запись данных осуществлялась в течение 1,5 часов.
На момент тестирования были видимы и использовались поправки с двух спутников Egnos под номерами 124 и 126. Поправки передавались для 7 из 9 видимых GPS спутников. GPS cпутники под номерами 22 и 31 находились над Восточной частью России и не могли быть «видимы» в Европе, где расположена сеть наземных измерительных станций. 
Статистические данные эксперимента
|
Из графиков распределение позиции и результирующей таблицы видно, что включение WAAS режима (график справа) увеличивает горизонтальную ошибку фактически в два раза. При этом вертикальная ошибка фактически остается не изменой.
Использование Egnos в Garmin
Использование Egnos в GlobalSat
Выводы
Можно с определенной долей уверенности сказать, что в Москве, использование сигналов WAAS не только не улучшает, а даже ухудшает точность определения позиции. По крайней мере в профессиональной навигационной аппаратуре.
Это объясняется отсутствием в России сети базовых станций, которые бы могли правильно и точно вычислять ионосферные задержки и через геостационарные спутники ретранслировать их пользователям. Передаваемые поправки псевдодальностей, измерены и вычислены для спутников, расположенных над территорией Европы.
Бытовые GPS навигаторы, в отличие от геодезических более «чувствительны» к любым изменениям в структуре и содержании данных EGNOS. Учитывая, что EGNOS функционирует в тестовом режиме и соответственно допускаются любые эксперименты в передаваемых данных, можно предположить, что GPS навигаторы просто не могут правильно декодировать сигнал.
В случае, когда система работает в нормальном режиме, сигналы Egnos принимаются и обрабатываются, но как подтвердил эксперимент, точность позиционирования не улучшается. В то же время, в GPS конференциях Интернета, некоторые пользователи писали о том, что в Питере включение режима WAAS, несколько улучшает точность. Это объясняется наличием поблизости базовой станции, размещенной в Норвегии.
Оригинал статьи на сайте GPSportal
Дифференциальный режим СНС
Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного навигационного приемника 5 (см. рисунок), устанавливаемого в точке с точно известными географическими координатами и называемого базовой станцией. Сравнивая известные координаты, полученные в результате прецизионной геодезической съемки, с измеренными с помощью спутников 1—4, базовый приемник формирует поправки, которые передаются потребителю 6 по каналу связи 7. С учетом принятых поправок приемник обычного потребителя позволяет определить его координаты с точностью до одного метра и менее.
При реализации дифференциального режима используют два метода формирования поправок:
Поскольку полученные с помощью дифференциального метода результаты в значительной степени зависят от расстояния между потребителем и базовой станцией, то 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 станций, постоянно транслирующих поправки на определенную территорию. Например, в США дифференциальные поправки передаются береговой охраной через морские радиобуи, работающие в диапазоне 283,5…325 кГц. Под Санкт-Петербургом в феврале 1998 года была установлена первая базовая станция, которая передает поправки на частоте 298,5 кГц.
При реализации дифференциального режима СНС используются методы кодовых и псевдофазовых (относительных) измерений. Кодовые системы строятся на основе измерения и обработки псевдодальностей; они имеют в общем случае неограниченную область действия и характеризуются ошибками местоопределения от долей до нескольких метров. Псевдофазовые системы характеризуются высокой точностью местоопределения (до долей сантиметра), однако область их действия ограничивается дальностью 10… 12 км в одночастотном режиме и около 100 км в двухчастотном.
Кодовые системы дифференциальной навигации делятся на локальные (Local Area Differential GPS), широкодиапазонные (WADGPS — Wide Area Differential GPS) и глобальные (GDGPS — Global Differential GPS).
Большинство современных систем дифференциальной навигации являются локальными. Они используют одну базовую станцию, которая располагается в центре локальной зоны размером около 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 (без поправок). Дифференциальные поправки в локальных системах могут формироваться путем коррекции координат или навигационных параметров. Наибольшее распространение получил второй метод, при котором базовая станция формирует поправки к измерениям псевдодальностей для каждого из видимых ею спутников. При этом приемник поправляет свои измерения псевдодальностей по teM же спутникам. Для передачи поправок, сформированных в соответствии с методом коррекции навигационного параметра, был разработан специальный стандарт RTCM SC-104, учитывающий особенности навигационных систем GPS и ГЛОНАСС.
В широкодиапазонных системах дифференциальной навигации WADGPS используется сеть станций сбора информации и метод формирования дифференциальных поправок, при котором на станциях сбора информации осуществляется обработка с целью оперативного уточнения параметров моделей движения НКА, смещения их шкал времени и составления карт вертикальных ионосферных задержек. Все эти данные оперативно передаются потребителю, который использует их для уточнения данных, извлекаемых из сигналов навигационных спутников. Системы WADGPS обеспечивают точность местоопределения со среднеквадратической ошибкой около 0,5 м в области, охватываемой сетью станции сбора информации, и смежных с ней областях.
В настоящее время в мире используются две системы WADGPS: первая принадлежит фирме Satloc, вторая под названием WAAS (Wide Area Augmentation System) — правительству США. Обе системы развернуты и эксплуатируются на территории США. В системе WADGPS фирмы Satloc потребителю предоставляется карта вертикальных ионосферных задержек с шагом 2°, в системе WAAS — разной точности. Наиболее подробные карты содержат до 929 точек. Задержка формирования корректирующих поправок в системе фирмы Satloc составляет 4 с, а в системе WAAS — около 6 с. Satloc использует только 15 станций сбора информации, расположенных на континентальной территории США, WAAS — 24, расположенных как на континентальной территории США, так и на Аляске и Гавайских островах. Для удовлетворения требований доступности (availability) для системы WAAS используется один из двух геостационарных спутников, излучающих дополнительные дальномерные коды, которые доступны для приемников с опцией WAAS-enabled. Скорость передачи корректирующей информации в системе фирмы Satloc равна 750 бит/с, а в системе WAAS — 250 бит/с. Корректирующая информация в системе фирмы Satloc квантуется с шагом 1/16 м, а в системе WAAS — с шагом 1/8 м.
Глобальные системы дифференциальной навигации (GDGPS) по своей структуре очень схожи с широкодиапазонными (WADGPS). Они также используют наземную сеть станций сбора информации и тот же метод формирования дифференциальных поправок. Основное отличие заключается в том, что исключение ионосферных ошибок в GDGPS осуществляется путем использования двухчастотных измерений.
В настоящее время единственная в мире система GDGPS использует в качестве основы станции GPS сети NASA. Для оперативного уточнения орбит навигационных спутников в этой системе используется пакет прикладных программ RTG (Real Time Gipsy), который применяется также и в широкодиапазонных дифференциальных системах фирмы Satloc и WAAS. Для передачи измерений в центр обработки используется сеть Internet. Результаты испытаний системы показали, что среднеквадратическая ошибка определения горизонтальных координат составляет менее 0,1 м и около 0,2 м — для вертикальных.
Система поправок в Европе реализуется в проекте EGNOS (European Global Navigation Overlay System — Европейская глобальная навигационная оверлейная система), рассчитанном на прием как сигналов GPS, так и ГЛОНАСС. EGNOS является совместным проектом Европейского космического агентства (ESA), Еврокомиссии (ЕС) и Eurocontrol (организации, отвечающей за аэронавигацию в Европе и являющейся предшественником Galileo — первой глобальной системы спутниковой навигации Европы). Поправки EGNOS, доступные для приемников с опцией EGNOS-enabled, транслируются через три геостационарных спутника. Два из них относятся к семейству Inmarsat и обслуживают районы Атлантического и Индийского океанов, а спутник ESA Artemis — районы Африки. Кроме них, в систему входят 4 мастер-центра МСС (Master Control Centres), которые управляют этими спутниками и вырабатывают поправки, 34 станции контроля положения и целостности RIMS (Ranging and Integrity Monitoring Stations), данные которых используются в мастер-центрах для уточнения поправок, а также передающие эту информацию на спутники наземные навигационные станции NLES (Navigation Land Earth Stations).
Применение системы EGNOS позволяет повысить точность определения координат в несколько раз (до 3…5 м). Следует заметить, что для использования поправочных коэффициентов, передаваемых со спутников WAAS/EGNOS, необходима сеть наземных базовых станций. Поскольку такая сеть в России отсутствует, то их использование нецелесообразно: если приемник имеет возможность фиксации сигналов спутников WAAS/EGNOS, то такую функцию лучше отключить, так как определение координат может не только не улучшиться, но и ухудшиться.
Дифференциальные системы спутниковой навигации. Обзор современного состояния
В опубликованных ранее статьях была рассмотрена структура спутниковых навигационных систем GPS и GLONASS, а также вопросы построения аппаратуры потребителя (аппаратная и программная часть). В этой статье мы подробно расскажем об особенностях современных дифференциальных систем, которые позволяют существенно повысить точность определения координат потребителя.
Что такое дифференциальнаянавигация?
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 при╦мника, называемого базовой станцией. Базовая станция устанавливается в точке с известными географическими координатами. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съ╦мки) с измеренными координатами, базовый навигационный при╦мник формирует поправки, которые передаются потребителям по каналам связи (рисунок 1).
Рисунок 1. Метод DGPS увеличивает точность данных
При╦мник потребителя учитывает принятые от базовой станции поправки при решении навигационной задачи. Это позволяет определить его координаты с точностью до одного метра.
Различают два метода вычисления поправок:
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 при╦мнику) причинами. Эти ошибки в значительной мере компенсируются при близком расположении базовой станции и при╦мника 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 определ╦нную территорию.
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 Санкт-Петербургом в феврале 1998 года была установлена первая базовая станция. Она переда╦т дифференциальные поправки на частоте 298,5 кГц.
Классификация современных дифференциальных систем спутниковой навигации
Источники 1 позволяют провести следующую классификацию современных дифференциальных систем спутниковой навигации.
10√12 км в одночастотном режиме и
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 при╦мника. Такая корреляция возникает вследствие идентичности соответствующих частных производных, особенно для спутников с большими углами места. Стабилизация опорных частот при╦мников станций сбора информации и при╦мника потребителя с помощью рубидиевых генераторов позволяет лучше разделять ошибки оценки смещения шкал времени и вертикальных координат при╦мника. Результаты соответствующих экспериментов демонстрируют среднеквадратические ошибки вертикальных координат меньше 0,4 м [8].
Дополнительным, очень важным свойством широкодиапазонных систем является возможность резкого повышения целостности, по сравнению с целостностью, свойственной базовыми спутниковыми системами. В [1] обсуждаются способы повышения целостности за сч╦т использования возможностей, предоставляемых широкодиапазонными системами дифференциальной навигации.
В [8] приводится интересное сравнение характеристик системы WADGPS фирмы Satloc с характеристиками системы WAAS. Задержка формирования корректирующих поправок в системе фирмы Satloc составляет 4 с, а системе WAAS
6 с. Satloc использует только 15 ССИ, расположенных только на континентальной территории США. WAAS использует избыточное число из 24-х ССИ, расположенных как на континентальной территории США, так и на Аляске и Гавайских островах. Для того, чтобы удовлетворить строгим требованиям доступности (availability), обеспечивающих высокую степень целостности, система WAAS требует два или более геостационарных спутника, излучающих дополнительные дальномерные коды. Скорость передачи корректирующей информации в системе фирмы Satloc равна 750 бит/с, а в системе WAAS ≈ 250 бит/с. Корректирующая информация в системе фирмы Satloc квантуется с дискретом 1/16 м, а в системе WAAS ≈ с дискретом 1/8 м.
Согласно [7,8], функционирование широкодиапазонных систем дифференциальной навигации основано на использовании тр╦х 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.
Обзор литературы [1,9] позволяет выделить статический, кинематический и динамический методы уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников. В наиболее простом статическом методе решается так называемая вывернутая навигационная задача. Пут╦м обработки измерений двухчастотных навигационных при╦мников, осуществляемых одновременно из нескольких наземных пунктов с известными координатами, определяется мгновенное местоположение и смещение шкал времени спутников, находящихся в зоне видимости наземных пунктов. При этом не учитывается динамическая информация, заключающаяся в ж╦сткой коррелированности пространственного положения спутников в соседние моменты времени. Алгоритм статического метода уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников достаточно подробно описан в [1]. В кинематическом методе дополнительно оцениваются составляющие мгновенного вектора скорости также без уч╦та динамической информации. В наиболее точном и совершенном динамическом методе оценивается определ╦нный набор параметров орбиты, смещения шкал времени спутников и наземных пунктов, а также некоторых дополнительных параметров, порождающих модельные значения измерений наилучшим образом, согласующиеся с результатами реальных измерений на длительных интервалах времени. Важным достоинством динамического метода является его способность эффективно разделять оценки эфемерид и смещения шкал времени, что увеличивает целостность системы. Как отмечается в [9], если информация о движении спутника игнорируется, то раздельная оценка эфемерид и смещения шкал времени затруднительна, и точная оценка возможна только для суммы обеих компонент.
Программное обеспечение уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников в системе WAAS и дифференциальной системе фирмы Satloc использует алгоритмы из хорошо протестированного и обеспечивающего высокую точность пакета прикладных программ GIPSY/OASIS II (GOA II) [7,9]. Этот пакет использует динамический метод, имеет длительную историю развития и широко используется для высокоточного определения орбит различных КА (в том числе, спутников GPS), а также в целях высокоточной спутниковой геодезии. Разработчиком и владельцем пакета GOA II является Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) Калифорнийского технического института (California Institute of Technology). Исходный пакет GOA II состоит по большей части из фортранных программ и UNIX-сценариев, что сильно затрудняет его использование в режиме реального времени и среде, отличной от UNIX. Для преодоления этих ограничений JPL на основе пакета GOA II разработало новый пакет Real-Time Gipsy (RTG). Этот пакет предназначен для использования в системах широкодиапазонной дифференциальной навигации и прочих системах реального времени, например, в проектах NASA по определению орбит на борту КА и определению координат радиолокатора с синтезированной апертурой на самол╦те в реальном масштабе времени [7]. WAAS и дифференциальная система фирмы Satloc используют для уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников пакет RTG, лицензированный JPL.
В пакете прикладных программ GIPSY/OASIS II (GOA II) [9] оцениваются координаты и составляющие вектора скорости спутников на некоторый узловой момент, смещение шкал времени спутников и наземных пунктов, тропосферные искажения и коэффициент солнечного давления. Указанные параметры оцениваются по измерениям на 30-часовых интервалах [9]. В результате точность определения траектории возрастает более чем в три раза, по сравнению с точностью орбит, параметры которых передаются в навигационных сообщениях спутников. Среднеквадратические ошибки по радиусу, попер╦к и вдоль орбиты для указанного выше случая составляют соответственно 0,65, 1,37 и 1,96 м [9].
Обработка измерений осуществляется пут╦м фильтрации относительно опорной траектории, для построения которой используются следующие модели:
Для фильтрации используется Square Root Information Filter (SRIF), обладающий повышенной численной устойчиво-стью, по сравнению с non-square root implementations. В предположении отсутствия проблем вычислительной устойчивости SRIF эквивалентен Калмановскому фильтру.
Некоторые сведения о программном обеспечении, организующем непрерывное функционирование наземной сети дифференциальной системы в реальном масштабе времени, приводятся в [3,7]. Автор данного обзора не является специалистом в данной области и поэтому обзор по программному обеспечению организации непрерывного функционирования наземной сети ограничен только ссылками.
Исключение необходимости вычислять подробные карты вертикальных ионосферных задержек позволяет сильно снизить плотность станций наземной сети. По мнению авторов [3], для этих целей достаточно иметь 12 хорошо расположенных по всему миру станций сбора информации. Для реальных экспериментов авторы [3] использовали 18 из порядка 60 станций всемирной глобальной сети GPS (Global GPS Network, GGN) принадлежащей NASA, которые оборудованы двухчастотными навигационными при╦мниками. В [2,3] отмечается необходимость введения избыточных станций и доведения их количества до 25√30. Введение избыточных станций позволяет увеличить точность и над╦жность дифференциальной системы.
В настоящее время можно указать на существование пока что единственной в мире глобальной системы дифференциальной навигации [2,3], использующей в качестве основы станции глобальной GPS сети (GGN) NASA. Для оперативного уточнения орбит навигационных спутников в этой системе используется тот же пакет прикладных программ RTG (Real Time Gipsy), который используется для уточнения орбит в широкодиапазонных дифференциальных системах фирмы Satloc и WAAS. Для передачи измерений в центр обработки используется глобальная сеть Internet.
Результаты статических испытаний, приведенные в [2,3], демонстрируют среднеквадратические ошибки определения горизонтальных координат менее 0,1 м и менее 0,2 м для вертикальных координат.
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 насел╦нной территории России разв╦ртывание плотной сети наземных станций сбора информации, необходимых для вычисления подробных карт вертикальных ионосферных задержек, будет очень дорогостоящим. В глобальных системах дифференциальной навигации ответственность за устранение ионосферных ошибок возлагается на потребителя. Для этого требуется, чтобы пользователи такой системы были снабжены двухдиапазонными навигационными при╦мниками, что естественно повысит стоимость аппаратуры потребителя. Однако можно полагать, что при массовом производстве такой аппаратуры стоимость каждого е╦ комплекта, по сравнению со стоимостью комплекта однодиапазонной аппаратуры, возраст╦т незначительно. С уч╦том введения в ближайшем будущем гражданских модулирующих кодов в GPS и Глонасс, распространение и применение двухчастотной аппаратуры потребителя станет повсеместным.