Московский государственный университет
геодезии и картографии (МИИГАиК)
АспирантЕ.И.Суницкий
Широкозонная система спутниковойдифференциальной навигации
(теоретический аспект)
В настоящее время идёт развитие систем геостационарного дополнения длянавигационно-геодезических систем, таких как GPS. Такие системы в литературечасто называют также широкозоннымисистемами спутниковой дифференциальной навигации, поскольку геостационарныеспутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальнымипоправками (один геостационарный спутник может обеспечить поправкими территориюравную по площади одной трети от всей поверхности земного шара). Как следствие,применение систем геостационарных спутников позволяет значительно повыситьточность определения местоположения, а значит, появляется возможностьиспользования простых, компактных и относительно недорогих спутниковыхприёмников, позволяющих решать навигационные и геодезические задачи.Широкозонные системы могут найти применение при решении задач морской геодезии,геодезии, точной навигации, ГИС и т.д. В таких системах реализованпринципиально иной метод формирования коррекций в виде поправок к эфемериднымданным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всемпользователям через геостационарный спутник. При этом новый подход не требуеткакого-либо дополнительного оборудования к спутниковому приёмнику (например,радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны испутникового приёмника, правда для этого необходимо изменить программный кодприёмника.
В настоящее время существуетнесколько систем (или правильнее говоритьподсистем)SBAS(хотя только WAASявляется полностью рабочей в настоящее время):
· WAAS (Wide AreaAugmentation System) принадлежит США;
· EGNOS (EuropeanGeostationary Navigation Overlay Service) принадлежит Европейскому Союзу;
· MSAS(Multi-functional Satellite-based Augmentation System) принадлежит Японии.
Подсистема SBAS состоит из (см. рис. 1):сети наземных станций слежения. На этих станциях стоят двухчастотные геодезические приёмники, которые осуществляют непрерывный сбор данных от всех навигационных спутников. Все измерения с этих станций передаются в мастер-станцию в реальном времени; мастер-станции, которая необходима для обработки данных со станций слежения и формирования коррекций; станций закладки корректирующей информации на геостационарные спутники; геостационарных космических аппаратов (ГКА или GEO) для передачи поправок на большую территорию всем пользователям.
Рис. 1. Схема работы подсистемы SBAS
Подсистемавыполняет следующие функции:
· сбор данных отвсех находящихся в поле радиовидимости навигационных спутников;
· составлениекарты вертикальных ионосферных задержек;
· контрольнадёжности навигационных спутников;
· определение иуточнение параметров орбит навигационных спутников;
· определениекоррекций орбит и временных поправок для навигационных спутников;
· обеспечениепотребителей корректирующей информацией и дополнительными измерениямипсевдодальностей на частоте L1 (в системе GPS), позволяющими повысить надежность и точность спутниковыхопределений;
· обеспечениенезависимого контроля выходных данных предыдущих шести функций перед ихиспользованием потребителями;
· обеспечениеработоспособности и нормального функционирования подсистемы.
Так как в сигнале, передаваемом с геостационарногоспутника, содержится кодированная информация о коррекциях состояния, то дадимописание входящим в этот сигнал сообщениям. Весь перечень этих сообщенийпредставлен в табл. 1[1].
Таблица 1
Номер сообщения
Содержание сообщения
Использовать или не использовать геостационарный спутник
1
Номер спутника согласно PRN (Pseudo Range Noise)
2-5
Информация о короткопериодных коррекциях
6
Информация о целостности
7
Фактор ухудшения точности короткопериодных коррекций
8
Зарезервировано для будущих сообщений
9
Эфемеридная информация о геостационарном спутнике (X,Y,Z, время и т.д.)
10
Параметры деградации
11
Зарезервировано для будущих сообщений
12
Параметры расхождения шкал системного времени SBAS и времени UTC
13-16
Зарезервировано для будущих приложений
17
Альманах геостационарного спутника
18
Данные об ионосферной сетке (координаты точек «прокола»)
19-23
Зарезервировано для будущих сообщений
24
Смешанные коррекций для эфемерид спутников
25
Долгопериодные коррекции эфемерид
26
Информация о вертикальных ионосферных задержках (применительно к частоте L1 в GPS)
27
Служебная информация
28
Ковариационная матрица для ошибок часов и эфемерид
29-61
Зарезервировано для будущих сообщений
62
Резервируется для внутреннего пользования и отладки самой подсистемы
63
Нулевое сообщение
Таким образом, при использовании сигналов отгеостационарных систем улучшается точность за счет:использования уточненных данных об эфемеридах навигационных спутников; использования уточненной модели ионосферы; использования дополнительного GPS сигнала на частоте L1=1575.42 МГц (или дополнительных сигналов, в случае если приемник отслеживает несколько геостационарных спутников) от геостационарных спутников системы.
Остановимся на корректирующий информациипередаваемой с геостационарного спутника. С целью уменьшения ошибок, вызванныхнеточностью эфемерид, в GPS предусмотрено обновление эфемеридной информации длянавигационных спутников каждый час. С целью получения более точной информации оположениях навигационных спутников, в подсистеме SBAS осуществляется трансляциякоррекций эфемерид. При этом коррекция осуществляется не один раз в час (как вGPS), а один раз за несколько минут. При этом коррекции к эфемеридам навигационныхспутников делятся на два типа: долгопериодные и короткопериодные.Долгопериодная составляющая коррекции для каждого навигационного спутника иметвид (см. табл. 2):
Таблица 2
Номер спутника
Эпоха коррекций (обозначается в литературе как IODE)
Этот вид поправок передается не реже, чем черездве минуты и их применение в аппаратуре пользователя не нуждается в пояснениисо стороны автора статьи.
Короткопериодная составляющая поправки к положениюкаждого спутника перевычисляется в поправку к псевдодальности на определенныймомент времени, причем эта поправка отсылается всем пользователям внезависимости от того где он находится. Данный вид поправок может лежать вдиапазоне от -256.000 до +255.875 м и её значение всегда кратно 0.125 м. Расчетпоправки, которую необходимо вводить в измеренную псевдодальностьосуществляется по формуле[1]:
(1)
где на требуемый момент i, t1и t2 – смежные моментывремени, на которые имеются коррекции, причем t1
То есть для каждого требуемого момента временивычисление короткопериодной составляюшей поправки осуществляется сиспользованием экстраполяции.
Что касается ионосферной модели, то в подсистеме SBASреализована гораздоболее детальная модель (по сравнению с GPS), но на локальную область. По наблюдениямназемных станций слежения системы SBASосуществляется оценка вертикальных ионосферныхзадержек, и вся покрываемая область разделяется сеткой. В общем случае, сеткане является регулярной. Для каждой i-ой точки (ионосферная точка) этой сетки, котораяимеет координаты Li, Bi(см.рис. 2), с геостационарного спутникапередаётся результат измеренной вертикальной ионосферной задержки для частоты L1 системы GPSв метрах. Такая сетка,в узлах которой известна величина вертикальной ионосферной задержки, называетсякартой вертикальных ионосферных задержек.
Информация об ионосферных задержках, передаваемыхс геостационарного спутника, является весьма оперативной и обновляется один разв несколько минут (по данным от геостационарного спутника номер 131 системы EGNOS, один раз в три споловиной минуты). Величины ионосферных задержек, передаваемых сгеостационарного спутника, кратны 0.125 метрам.
Рис. 2. Карта вертикальных ионосферных задержек
Для того чтобы оценить влияние ионосферы дляконкретного навигационного спутника, необходимо сначала определить координатыточки пересечения ионосферы и линии «приёмник-навигационный ИСЗ». Данная точканазывается ионосферной точкой. При этомв качестве поверхности ионосферы выбирается эллипсоид, высота которого над эллипсоидомWGS-84 (длясистемы GPS)составляет hi=350 км при условии, что центры этих двухэллипсоидов совпадают. Такая высота hiсоответствует высоте максимальной концентрации электронов в ионосферном слое.Таким образом, приёмник, принимающий ионосферные коррекции, можетинтерполировать величину вертикальной ионосферной задержки тем или инымспособом для каждого конкретного навигационного спутника, используя информациюо задержках в узлах сетки, координаты которых известны, и найденные координатыионосферной точки для навигационного ИСЗ.
Далее эту вертикальную ионосферную задержку необходимо привести к реальной (наклонной)задержке по формуле [1]:
(2)
где K– коэффициент преобразования, вычисляемый поформуле [1]:
(3)
где Re– средний радиус Земли (принимается равным 6378.1363 км для системы WGS-84);
E– уголвозвышения навигационного спутника над горизонтом.
Более точная информация об эфемеридах и состоянииионосферы достигается за счет использования гораздо большего числа наземныхстанций слежения (по сравнению с GPS), входящих в подсистему SBAS, а также за счет её оперативного обновления.
Перспективность подсистем SBASпри решении навигационных и геодезических задач очевидна, поэтомуисследования в данной области необходимо проводить как теоретически, так ипрактически.
Литература.Minimum operational performance standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System airborne equipment. SC-159. Washington, DC, RTCA Inc., 2001. -586 p.