Точность GPS

Введение Во многих сферах нашей жизни мы можем столкнуться со спутниковой системой навигации - GPS Global Position System . Хотя она и была разработана для решения военных задач, ее гражданское применение растет очень быстро. Эта система нашла широкое применение, как в обычной жизни, так и в решении достаточно специфичных задач, например, как дополнительная защита от угона автомашин. Мы можем встретить GPS приемники как на суши и море, так и в воздухе.

Для решения разных задач применяются различные типы приемников, но, как ни разнились сферы применения GPS, всех их объединяет одно - необходимость в точном определении координат. Можно отметить что ошибки, которые приводят к неточности в определении положения при решении разных задач, в большинстве своем, одни и те же. Но методы, которые применяются для их исправления, зачастую, имеют большие отличия. Это связано главным образом с тем, что мы имеем различные требования к точности

и условия, при которых происходит позиционирование также большую роль играет цена приемника. В своей работе я постараюсь проанализировать большинство видов ошибок приводящих к неточности в определении координат, их величину, различные методы исправления и сферу применения этих методов, рассмотрю принципы работы GPS и ее основные характеристики, что необходимо для лучшего понимания поставленной задачи. Также будут приведены планы модернизации этой системы, так как это приведет к созданию новых методов

исправления ошибок и усовершенствованию старых. 1. История создания GPS С давних времён путешественники задавались вопросом как определить своё местоположение на Земле? Средствами для ориентирования на местности для него служили камни, пометки на деревьях, горы, служащие началом отсчета. Определение ориентиров было несложной задачей на суше, однако, когда человек начал исследовать океанские просторы, где единственными видимыми объектами были

Солнце, Луна и звезды, ориентирование стало делом жизни и смерти. Как и следовало ожидать, эти небесные объекты стали служить ориентирами и началась эра навигации по звездам. Однако погодные условия не всегда были на руку исследователям, поэтому сбиться с курса не представляло особого труда. С появлением компаса задача существенно упростилась. Путешественник уже в меньшей мере зависел от погоды.

Эра радио открыла новые возможности перед человеком. С появлением радиолокационных станций, когда стало возможным измерять параметры движения и относительное местоположение объекта по отражённому от его поверхности лучу радиолокатора, встал вопрос о возможности измерения параметров движения объекта по излучаемому сигналу. Учёные экспериментально подтвердила возможность определения параметров движения искусственного спутника

Земли ИСЗ по результатам измерений доплеровского сдвига частоты сигнала, излучаемого этим спутником. Но, что самое главное, была установлена возможность решения обратной задачи - нахождения координат приёмника по измеренному доплеровскому сдвигу сигнала, излучаемого с ИСЗ, если параметры движения и координаты этого спутника известны. Таким образом, искусственный спутник Земли становится радионавигационной опорной станцией, координаты

которой изменяются во времени вследствие движения спутника по орбите, но заранее могут быть вычислены для любого момента времени благодаря информации, заложенной в навигационном сигнале спутника. В США в Лаборатории прикладной физики Университета Джона Гопкинса проводятся работы, связанные с возможностью измерения параметров сигнала, излучаемого спутником. По измерениям вычисляются параметры движения спутника относительно наземного пункта наблюдения.

Решение обратной задачи - дело времени. На основе этих исследований в 1964 году в США создаётся спутниковая радионавигационная система первого поколения Transit . Основное её назначение - навигационное обеспечение пуска с подводных лодок баллистических ракет Поларис. Отцом системы считается директор Лаборатории прикладной физики Р. Кершнер. Для коммерческого использования система становится доступной в 1967 г.

В системе Transit координаты источника вычисляются по доплеровскому сдвигу частоты сигнала одного из 7 видимых спутников. ИСЗ систем имеют круговые полярные орбиты с высотой над поверхностью Земли 1100 км, период обращения спутников Transit равен 107 минутам. Точность вычисления координат источника в системах первого поколения в большой степени зависит от погрешности определения скорости источника. Так, если скорость объекта определена с погрешностью 0,5 м, то это в

свою очередь приведёт к ошибке определения координат 500 м. Для неподвижного объекта эта величина уменьшается до 50 м. Кроме того, в этих системах невозможен непрерывный режим работы. Ввиду того, что системы расположены на низких орбитах, время, в течение которого спутник находится в поле видимости потребителя, не превышает одного часа.

Кроме того, время между прохождением различных спутников зоны видимости потребителя зависит от географической широты, на которой он находится, и может составить величину от 35 до 90 минут. Уменьшение этого интервала путём наращивания числа спутников невозможно, потому что все спутники излучают сигналы на одной и той же частоте. Следовательно, спутниковые навигационные системы второго поколения обладают рядом существенных недостатков. В первую очередь - недостаточная точность определения координат

динамичных объектов. К недостатку можно отнести также отсутствие непрерывности в измерениях. Одной из основных проблем, возникающих при создании спутниковых систем, обеспечивающих навигационные определения по нескольким спутникам, является взаимная синхронизация сигналов шкал времени спутников с необходимой точностью. Рассогласование опорных генераторов спутников на 10 нс приводит к ошибке в определении координат потребителя 10-15 м . Второй проблемой, с которой столкнулись разработчики при

создании высокоорбитальных спутниковых навигационных систем, стало высокоточное определение и прогнозирование параметров орбит ИСЗ. Аппаратура приёмника, измеряя задержки сигналов от разных спутников, вычисляет координаты потребителя. Для этих целей в 1967 году ВМС США была разработана программа, по которой был осуществлён запуск спутника TIMATION-I, а в 1969 году - спутника TIMATION-II. На борту этих спутников использовались кварцевые генераторы.

В то же время, ВВС США параллельно вели свою программу по использовании широкополосных сигналов, модулированных псевдошумовым кодом PRN . Свойства такого кода позволяют использовать одну частоту сигнала для всех спутников, с кодовым разделением сигналов от различных спутников. Позднее, в 1973 году две программы были объединены в одну общую под названием Navstar-GPS . К 1996 году развёртывание системы было завершено 1 .

2. Строение GPS Система в целом включает в себя три сегмента - космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли сегмент управления, наземный комплекс управления орбитальной группировкой космических аппаратов - аппаратура пользователей системы. Космический сегмент системы составляют спутники GPS. Эти космические аппараты передают радио сигналы из космоса.

Рабочее созвездие GPS составляют 24 спутника 21 навигационных и 3 запасных, находящиеся на околоземных орбитах с периодом обращения 12 часов рис. 1 . Рис. 1. Космический сегмент Высота орбиты каждого спутника равна, приблизительно 20000 км. Проекция орбиты на земную поверхность вследствие вращения Земли повторяется с частотой один раз в день. Высота орбиты такова, что спутник оказывается над одной

и той же точкой поверхности приблизительно каждые 24 часа. Имеется шесть орбитальных плоскостей по четыре спутника на каждую , равномерно распределенных над поверхностью Земли через 60 градусов и имеющих угол склонения 55 градусов к плоскости экватора. Такое расположение обеспечивает пользователю от 5 до 8 спутников, видимых с любой точки Земли. В сегмент управления входит система станций слежения, расположенных по всему свету.

Главная контрольная станция расположена на авиабазе Фэлкон ВВС США в Колорадо. Эти станции слежения измеряют сигналы со спутников об их местоположении и соотносят эти данные с математическими моделями орбит для каждого из спутников. По моделям рассчитывают точные параметры орбит - эфемериды и коррекции часов для каждого спутника. Эта информация посылается на спутник, после чего он шлет набор данных орбитальных эфемерид на приемники

GPS через радиосигнал рис. 2 . Рис. 2. Сегмент наземного комплекса управления системы GPS Сегмент пользователей GPS 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 GPS - навигация в трехмерном пространстве.

Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования. 3. Определения координат приемника Точные координаты могут быть вычислены для места на поверхности Земли по измерениям расстояний от группы спутников если их положение в космосе известно . В этом случае спутники являются пунктами с известными координатами.

Предположим, что расстояние от одного спутника известно и мы можем описать сферу заданного радиуса вокруг него рис. 3 . Рис. 3. Один спутник Если мы знаем также расстояние и до второго спутника, то определяемое местоположение будет расположено где-то в круге, задаваемом пересечением двух сфер рис. 4 . Рис. 4. Два спутника Третий спутник определяет две точки на окружности рис 5 . Рис. 5. Три спутника Теперь остаётся только выбрать правильную точку.

Как решить, какая из этих двух точек - истинное местоположение? Обычно, одна из двух точек - это неправдоподобное решение. Она либо располагается слишком далеко от поверхности Земли, либо имеет неправдоподобно большую скорость движения. Вычислители приемников GPS снабжены различными средствами, автоматически выделяющими истинное местоположение

из двух возможных. Вместе с тем, если точно известна высота например корабли всегда находятся на уровне моря , то можно исключить одно из измерений. Одна из сфер на рисунках может быть заменена на сферу с центром в центре Земли и радиусом, равным ее радиусу плюс высота рис. 6 . Рис. 6. Четыре спутника Так или иначе, но для того, чтобы однозначно определить свое местоположение необходимо знать расстояния дальности до четырех спутников.

Можно обойтись и тремя, если логически исключить неправдоподобное решение 2 . 4. Структура сигнала спутника GPS В системе GPS используется кодовое разделение сигналов CDMA , поэтому все спутники излучают сигналы с одинаковой частотой. Каждый спутник системы GPS излучает два сигнала. Частота первого сигнала составляет L1 1575,42 МГц, а второго L2 1227,6 МГц. Для определений дальностей генерируют коды двух типов -

P и C A. Несущий сигнал L1 одновременно модулирован C A и P кодами. Сигнал L2 модулирован P-кодом и не несет C A-кода. Оба сигнала L1 и L2 модулированы также данными, посылаемыми со станции управления. Каждый спутник использует свойственные только ему дальномерные коды С A и Р, что и позволяет разделять спутниковые сигналы.

C A-код разработан для гражданского пользователя. Его определяют как грубый Coarse Aquisition , легко доступный Clear Accessible , легко обнаруживаемый Clear Aquisition , гражданский Civil Application или стандартный S - Standard . Этот код псевдослучайная последовательность повторяющийся с частотой 1.023 МГц . C A код повторяется каждые 1023 бита одна миллисекунда и уникален для каждого

спутника. Это значит, что время передачи одного бита 0.978 микросекунды и, умножая эту величину на скорость света, получим расстояние, занимаемое этим битом - 293 метра. Этот код является основой гражданского позиционирования. Код P трактуется как точный Precision или защищенный Protected . Он предназначен для военных. Представляет собой 10.23

МГц псевдослучайный код. Длина одного бита 29.3 метра. Псевдокод шифрован в Y-код. Для расшифровки Y-кода требуется секретный AS anti-spoofing -модуль для каждого канала приемника. Этими модулями располагают только пользователи с криптографическими ключами. Навигационное сообщение модулируется по C A коду.

Это сообщение - 50 Гц сигнал, оно состоит из 25 блоков по 1500 бит. Каждый блок разбит на 5 подблоков по 300 бит. Трансляция подблока занимает 6 с, блока - 30 с, всего сообщения - 12,5 минут. В каждом подблоке 10 слов по 30 бит, из которых первое слово содержит телеметрическую информацию, а второе - метки времени. За этими словами в подблоках 2 и 3 - эфемериды с кеплеровыми элементами орбиты спутника они действительны

лишь на короткое время для части его орбиты . Указанные подблоки повторяют в каждом блоке. Подблоки 4 и 5 несут данные о поправках на влияние ионосферы, параметры шкалы времени, сведения о здоровье спутника, а также альманах - сборник менее точных данных о местонахождении всех спутников. Информация подблоков 4 и 5 разделена на 25 страниц, передается постранично и повторяется через 12,5 минут. Наиболее важные сведения потока сообщений обычно обновляют каждые 4 часа.

Альманах - приблизительные орбитальные параметры данных для всего набора спутников, которые описывают орбиты в расширенных периодах времени. Каждый полный набор данных включает ионосферную модель, которая используется в приемнике для аппроксимации задержки фазы сигнала при его прохождении через ионосферу при любом расположении спутников и в любой момент времени 3 . 5. Методы измерение дальности до спутника С помощью псевдослучайного кода.

Псевдодальность - расстояние между антенной приемника и спутником измеренное с помощью псевдослучайного кода. Как говорилось раньше, эти расстояния необходимы для расчета координат. Процедура определения псевдодальности, может быть описана следующим образом. Представим, что часы на спутнике и приемнике полностью синхронизированы друг с другом. Когда код PRN передается от спутника, приемник воспроизводит точную копию того же кода.

После некоторое время, код переданный спутником будет принят приемником. Сравнивая переданный код и его точную копию, приемник может вычислить время нужное для того чтоб код достиг приемника. Умножение времени путешествия на скоростью света дает нам дальность между спутником и приемником рис. 7 . Рис. 7. Измерения расстояния по коду К сожалению, предположение, что приемник и спутниковые часы полностью синхронизированы, не совсем верен.

Этот метод вычисления дальности требовал бы очень точной синхронизации часов спутника и приемника. На спутники GPS стоят очень точные атомные часы, очень дорого обеспечить такими часами приемник, так как их цена может достигать 20000 . Проблему синхронизации часов решают, рассматривая ошибку часов приемника как дополнительное неизвестное в навигационных уравнениях. Используя данные от дополнительного спутника, получают еще одно уравнение, которое помогает найти эту

неизвестную. Таким образом, в приемниках можно использовать недорогие часы. Уравнение для нахождения псевдодальности выглядит следующим образом 5.1 где - время получения сигнала со спутника время в которое тот же самый сигнал покинул спутник, и c - скорость света. Важно обратить внимание на то, что измерено согласно часам приемника, которые могут иметь большую ошибку это время GPS, которое в свою очередь является временем часов спутника плюс время ошибки часов переданное

в навигационном сообщении. Определение времени приходы сигнала задача коррелятора. Хороший коррелятор может определить время с точностью до 1 процента от длины бита. Это обеспечивает точность в измерении псевдодальности около 3 метров для C A кода и 0.3 метра для P кода. GPS была разработана так, чтобы дальность, определенная гражданским лицом C A код была бы менее точной чем военным P-кодом.

Это основывается на том, что точность C A кода, в 10 раз ниже чем P-кода. Но сейчас, из-за усовершенствований технология приемника, полученная точность будит почти одинаковая для обоих кодов 3 . С помощью Измерения фазы несущей . На много более точный способ измерения расстояния до спутника это отслеживание фазы несущей сигнала L1 или L2. Для этого метода измерения расстояния требуется специально оборудованные приемники способные

отслеживать фазу несущей. Расстояния между спутником и приемником - сумма общего количества полных циклов плюс дробный цикл между приемником и спутник, умноженный на длину волны несущей. Дальность, определенная с помощью фазы несущей, имеет намного большую точность чем дальность, полученная с помощью кода. Есть, однако, одна проблема. Несущая это синусоидальная волна, что означает, что все циклы выглядят одинаково. Поэтому, приемник GPS не может отличить один цикл от другого.

Другими словами, приемник, сразу при включении, не может определить общее количество полных циклов между спутником и приемником. Он может определить только дробную часть цикла с точность не менее 2 мм , в то время как полное число циклов остается неизвестным, или неоднозначным. К счастью, приемник может отслеживать изменение фазы, будучи включенным. Это означает, что начальная неопределенность решается с течением временем.

Определение полного числа циклов несущей длин волн между антенной и спутником называется разрешением неоднозначности - поиском целого значения числа длин волн. Для измерений в режиме с постобработкой, который используется для определения местоположения с точностью на уровне сантиметра, это целое значение определяется во время обработки на компьютере. Для измерений в реальном времени, которые используются для определения местоположения с точностью на

уровне сантиметра, это целое значение определяется в течение процесса называемого инициализацией. Соотношение связующее псевдодальность с фазой несущей можно записать в следующем виде 5.2 где n - номер наблюдаемого спутника, p псевдодальность длина волны несущей, и k -неизвестное число целых длин волн, укладывающихся в псевдодальности. Фаза несущей может быть измерена с точность около 1 от длины волны несущей. Длину волны L1 приблизительно 19 см, так что 1 из этого приблизительно 2 мм.

Не трудно увидеть, почему используют метода для измерений метод отслеживание фазы несущей для достижения большей точности вместо кодового - 1540 циклов несущей в каждом бите C A кода. Недостаток этого метода это большая вероятность пропуска циклов сигнала. Пропуск цикла сигнал - это скачок в целое число циклов в фазе несущей при измерении дальности. Пропадание сигнала может быть вызвано преградой между сигналом и спутником.

Радиопомехи, ионосферное возмущение, и высокая динамика приемника - все это также может быть причинной пропадания сигнала. Так же проскальзывания цикла может произойти из-за сбоя приемника. Пропуск цикла может длиться в течение любого времени. Проскальзывания цикла необходимо идентифицировать и исправлять 4 . 6. Дифференциальная коррекция Дифференциальная коррекция - это метод который значительно увеличивает

точность собираемых GPS данных. В этом случае используется приёмник расположенный в точке с известными координатами базовая станция , а второй приёмник собирает данные в точках с неизвестными координатами передвижной приёмник . Данные, полученные в точке с известными координатами, используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затем информация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижного приёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, что позволяет

устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике. Вам необходимо знать координаты вашей базовой станции как можно точнее, так как точность получаемая в результате дифференциальной коррекции напрямую зависит от точности координат базовой станции. Существует два метода выполнения дифференциальной коррекции, в реальном времени и в постобработке. При работе методом дифференциального GPS в реальном времени, базовая станция вычисляет и передаёт посредством

радиосвязи ошибки для каждого спутника в то время как он собирает данные. Эти коррекции принимаемые передвижным приёмником используются для уточнения определяемого местоположения. В результате мы можем видеть на экране приёмника дифференциально скорректированные координаты. Это может быть полезно, когда вам необходимо знать где Вы находитесь непосредственно в поле. Эти скорректированные положения могут быть сохранены в файл на

накопителе. При работе методом дифференциального GPS в постобработке, базовая станция записывает ошибки для каждого спутника прямо в компьютерный файл. Передвижной приёмник также записывает свои данные в компьютерный файл. После возвращения из поля, два файла обрабатываются вместе с помощью специального программного обеспечения и на выходе получается скорректированный файл данных передвижного приёмника. В основном выбор метода зависит от таких факторов, как конфигурация приёмника, требуемая точность,

ограничения по времени и необходимости получения результатов в реальном времени 5 . 7. Ошибки и смещения Измеренная кодом или фазой несущей дальность имеет несколько типов случайных ошибок и смещений систематические ошибки . Эти ошибки могут быть классифицированы как те, которые происходят в спутниках, те, которые происходят в приемнике, и те, которые вызваны прохождением сигнала через атмосферу рис. 8 . Рис. 8. Ошибки и смещения Ошибки, происходящие в спутниках включают ошибку эфемерид точные

параметры орбит , ошибки часов спутника, и эффект избирательного доступа. Последняя была преднамеренно осуществлена, чтобы ухудшиться точность определения местоположения из соображений безопасности. Была отменена 1 мая 2000. Ошибки в приемнике включают ошибки часов приемника, многолучевость сигнала, шум приемника, и смещение фазового центра антенны. Ошибка возникающая в результате прохождения сигналом атмосферы есть следствие

того, что скорости распространения сигнала в ионосфере и тропосфере отличны от скорости света. В дополнение к этим ошибкам, точность вычисления положение также зависит от геометрического расположения спутников GPS относительно приемника 4 . Многие ошибки можно свести к минимуму, используя метод дифференцирования, дифференциальная коррекция - это метод который значительно увеличивает точность. В этом случае используется приемник, расположенный в точке с известными координатами базовая станция

, а второй приёмник собирает данные в точках с неизвестными координатами передвижной приёмник . Данные, полученные в точке с известными координатами, используются для определения ошибок содержащихся в спутниковом сигнале. Затем информация с базовой станции совместно обрабатывается с данными передвижного приёмника, вместе с учётом ошибок содержащихся в спутниковом сигнале, что позволяет устранить ошибки в координатах полученных на передвижном приёмнике.

Вам необходимо знать координаты вашей базовой станции как можно точнее, так как точность, получаемая в результате дифференциальной коррекции, напрямую зависит от точности координат базовой станции. 7.1 Ошибки эфемерид Координаты положения спутника, как функции времени, содержатся в навигационном сообщении, спрогнозированы исходя из предыдущих наблюдений наземными станциями управления. Как правило, на основе четырех часовых промежуточных данных, наземная система управления, прогнозируют

новые положения спутника, которые он будит занимать в течение следующего 1 часа. Модель сил действующих на спутники, не совершенна и как следствие существования ошибок в оценках положения спутников. Такие ошибки называют ошибки эфемерид. Обычно, ошибка эфемерид дают не точность порядка 2-5 м, но могли достигать и 50 м из-за избирательного доступа 5 . Ошибка эфемерид, для одного спутника, будет идентичной для всех пользователей

GPS отслеживающих его. Но так как различные пользователи наблюдают один и тот же спутник с разных углов, то, соответственно, влияние ошибки на измерения дальности и как следствие на вычисление положения будет различным. Это значит, что метод дифференциальной коррекции, когда два приемника одновременно отслеживают один и тот же спутника, не сможет полностью устранить ошибку эфемерид. Если между приемниками сравнительно не большое расстояние, то ошибка эфемерид при дифференцировании

полностью устраняется. Для приблизительной оценки этой ошибки можно воспользоваться правилом Это означает, что если ошибка в определении расстояния до спутника 5 м и расстояние между приемниками 10 км, то ожидаемая ошибка эфемерид составит приблизительно 2.5 мм 4 . Для решения некоторых задач, требуются более точные значения координаты спутника, чем переданные с него. Для решение этой проблемы, несколько учреждений

International GPS Service for Geodynamics IGS , U.S. National Geodetic Survey NGS и Geomatics Canada разработали службу, которая помогает получить более точные значения. Эти значения основываются на данных собранных в глобальной GPS сети IGS. В настоящее время, точные данные доступны пользователям с некоторой задержкой, которая измеряется 12 часами для наименее точных данных и около 12 дней для получения точного значения.

Точность определения орбиты варьируется от нескольких дециметров до дециметра. Пользователи могут свободно загрузить точные ephemeris данные бесплатно с ftp igscb.jpl.nasa.gov igscb product . 7.2 Ошибка часов в спутнике и приемнике Каждый спутник GPS Block II and Block IIA несет на себе четверо атомных часов, двое цезиевых и двое рубидиевых. Более новое поколение спутников Block IIR содержат только рубидиевые часы.

Одни из часов, главным образом на основе цезия для Block II и IIA, обеспечивают частоту и временные требования для генерации сигналы GPS, остальные резервные. Часы спутников, хотя и являются очень точными, все равно подвержены ошибкам. Исправление делаются частично, так как было бы затруднительно синхронизировать часы сразу во всех спутниках. У часов существует некоторая степень относительного дрейфа, который оценивается станциями наблюдения,

и на основании полученных данных производят коррекцию часов. Исправления передаются как часть навигационного сообщения. Исправленное время спутника, наземным сегментом управления, называют время GPS. Ошибка часов спутника меняется медленно и обычно меньше 1 миллисекунды. Поправки закладывается на борт спутника, для последующей ретрансляции на

Землю, в виде полиномиальных коэффициентов в навигационном сообщении, и обновляются каждые 6 часов. После коррекции, остаточная ошибка во времени GPS обычно меньше нескольких наносекунд, соответственно, ошибка по дальности будет приблизительно 1 м. Ошибка часов спутника будит одинаковой для всех пользователей, наблюдающих один и тот же спутник, и может быть устранена через дифференцирования. Влияние временной ошибки, также как и ошибки эфемерид, не носит систематический характер.

GPS приемники, напротив, используют недорогие кристаллические часы, которые намного менее точные, чем часы спутника. Величина ошибки часов приемника на много больше, чем в часах спутника. Однако она может быть легко устранена, если рассматривать ее как дополнительный неизвестный параметр, в процессе вычислений для этого необходимо измерить расстояние до четвертого спутника . Некоторые приемники оборудованы специальным портом, который позволяет подключить внешние атомные часы

для увеличения точности 6 . 7.3 Геометрическое расположение спутников Геометрическое расположение спутников, относительно приемника, играет важную роль в точности позиционирования. Хорошая спутниковая геометрия, когда спутники разбросаны в небе. Чем больше спутники раскиданы в небе, тем лучше спутниковая геометрия, и наоборот. Различные типы ошибок и смещений, которые часто называют ошибками по дальности, рассмотренные ранее,

непосредственно затрагивают точность вычисленного положения. Надлежащая обработка этих ошибок и смещений будит улучшать точность в определении дальности. Остается вопрос какова зависимость между ошибкой по дальности и ошибкой при вычислении местоположения? Ответ зависит от количества и геометрии используемых спутников. Спутниковая геометрия, представляет собой геометрические местоположения спутников

GPS и играет очень важную роль в точности позиционирования. Чем больше спутники раскиданы в небе, тем лучше спутниковая геометрия, и наоборот. Рисунок дает графическое объяснение зависимости точности от спутниковой геометрии. Если мы используем только два спутника двумерный случай , то в этом случае, приемник будет расположен на пересечении двух кругов каждый имеет радиус равный расстоянию между спутником и приемником.

Поскольку из-за ошибок измерения, расстояние спутник-приемник не будет точным и, следовательно, будит присутствовать область неопределенности. Объединяя измерения от этих двух спутников, можно заметить, что приемник будет расположен где-нибудь в пределах области неопределенности заштрихованная область . Видно, что чем меньше область неопределенности, тем точнее будит, вычислено положение приемника. Как показано на рисунке рис. 9 , Рис. 9. Хорошая спутниковая геометрия если эти два спутника расположены

далеко друг от друга, то размеры области неопределенности будут маленькими, хорошая спутниковая геометрия. Точно так же, если эти два спутника расположены близко друг к другу рис. 10 , Рис. 9. Плохая спутниковая геометрия то размер области неопределенности будут больше, плохая спутниковая геометрия. Эффект спутниковой геометрии можно характеризовать безразмерной величиной - фактором снижения точности DOP dilution of precision . Значения DOP вычислены основываясь на геометрии спутников относительно

приемника. На практике, используются различные формы DOP, в зависимости от потребности пользователей. Например, при обычном позиционировании, пользователь может быть заинтересован в знании эффекта спутниковой геометрии при определении трехмерного положения широта, долгота, и высота . Это возможно, исследуя значение позиционного фактора снижения точности PDOP position dilution of precision . Другими словами,

PDOP представляет вклад спутниковой геометрии при определении трехмерного положения. PDOP может быть представлен в двух компонентах горизонтальный фактор снижения точности HDOP horizontal dilution of precision и вертикальный фактор снижения точности VDOP vertical dilution of precision . Еще одни используемые формы DOP, это временной фактор снижения точности TDOP описывает степень влияния погрешности показаний часов

на точность определения координат и геометрический фактор снижения точности GDOP . GDOP представляет собой объеденный эффект PDOP и TDOP. Чтобы получить высокую точность при определении места положения рекомендует выбирать оптимальное время наблюдения. Большинство пакетов программ для GPS приемников умеют достаточно точно предсказывать спутниковую геометрию, основываясь на приблизительном

положении пользователя и приблизительном положении спутников, полученных из альманаха. Альманах содержит информацию о положении спутников. Его можно получить из навигационного сообщения со спутника или загрузить бесплатно через Internet 4 . 7.4 Многолучевость сигнала Многолучевость сигнала - одна из главных причин ошибок в измерении псевдодальности. Объекты около антенны приемника могут легко отразить

GPS сигналы, в результате GPS сигнал достигает антенны приемника через различные пути рис. 11 . Рис. 11. Эффект многолучевости Отраженные сигналы в отличие от сигнала, который прошел по прямому пути, всегда имеют более длительное время распространения и могут значительно исказить амплитуду и фазу сигнала прямого пути. Ошибки из-за многолучевости сигнала нельзя исключить при помощи дифференцирования, так как они зависят от объектов расположенных возле каждой антенны приемника.

Многолучевость искажает исходный сигнал путем интерференции его с отраженными сигналами в GPS антенне. Это затрагивает измерение дальности с помощью отслеживания фазы несущей и с помощью кода однако, эта ошибка большего всего влияет при измерении с помощью кода. В приемнике без многолучевой защиты, при измерении псевдодальности с помощью C A-кода, ошибка достигает более 10 м. Размер ошибки при отслеживании фазы несущей может достигнуть

четверти цикла приблизительно 4.8 см для L1 несущей . Многолучевость может не только сильно ухудшить точность определения расстояние, но может также сильно усложнить процесс разрешения неоднозначности при измерении расстояние с помощью фазы несущей. Многолучевость может быть разделена на два класса статическая и динамическая. Для стационарного приемника, геометрия распространения сигнала изменяется медленно т.к. зависит только

от движения спутников в небе. Однако если приемник находится в движении, то может происходить большое число колебаний в долю секунды. Используют различные методы уменьшения многолучевости для этих двух случаев. В настоящее время исследования были сосредоточены для случая стационарного приемника т.к. в этом случаи спрос на высокую точность существенно больше. Существуют два метода уменьшения влияния многолучевости на точность определения псевдодальности стационарным

приемником. Первый способ это пространственная обработка, а второй - обработка временного интервала. В настоящее время применяются оба этих способа. При пространственной обработки используют дизайн антенны и известные или частично известные характеристики геометрии распространения сигнала для получения сигнала прямого пути. Во временной обработке используя только многолучевые искажения сигнала в приемнике. Одна из самых простых форм пространственной технологии это выбор местоположения антенны, где наименьшая

вероятность принять отраженный сигнал. Например, чтобы получить координаты точки около рефлексивных объектов, можно сначала используя GPS определить положение близлежащей точки в более свободном относительно рефлекторных объектов месте и затем вычислить положение нужной точки. Другая техника, которая минимизирует отражения сигнала от поверхности земли, это размещение антенны приемника непосредственно на уровни земли. В этом случаи вторичный путь сигнала имеет такую же задержку,

как и сигнал прямого пути. Очевидно, что не всегда возможно выбрать удобное положение антенны для использования этих методов, но если все условия выполнимы, то эти методы очень эффективны. Самая популярная форма пространственной технологии - специально разработанная модель антенны, уменьшающая влияние отраженного от земли сигнала. В простой модели антенны используются металлический диск, который расположенный у основания антенны для экранирования антенны снизу.

Такая антенна не может уменьшить влияние сигналов отразившихся от объектов расположенных выше антенны. Однако такие антенны очень эффективны, когда поверхность земли является доминирующим источником отраженных сигналов 4 . В более продвинутых антеннах, чаще всего применяемых в геодезии, применяется кольцо подавления отраженных сигналов Choke Ring 7 . Заземленный экран кольца подавления состоит из нескольких концентрических стенок, или колец, вокруг центра, где располагается элемент антенны рис.

12 . Рис.12. Кольцо подавления отраженных сигналов Область между кольцами образует бороздки . Заземленные экраны кольца подавления действуют следующим образом. Принимаемый антенной сигнал состоит из двух частей прямой и отраженный. Бороздки не влияют на прямой сигнал за исключением понижения коэффициента усиления антенны на нижних углах возвышения, а для верхних углов возвышения заземленный экран кольца подавления действует, почти

как плоский экран. Однако бороздки оказывают сильное воздействие на отраженный снизу сигнал. Электромагнитное поле отраженного сигнала вблизи заземленного экрана кольца подавления можно рассматривать как совокупность первичных и вторичных волн поля. Функция заземленного экрана кольца подавления состоит в том, чтобы отраженные первичные и вторичные сигналы в значительной мере взаимоисключали друг друга, а прямой сигнал к антенне оставался доминирующим.

При данном заземленном экране кольца подавления многолучевость подавляется полностью только при определенных углах возвышения при иных углах многолучевость подавляется частично. Максимальное подавление обычно происходит на углах, расположенных близко к зениту, а минимальное - на углах, расположенных близко к горизонту. Как правило, кольца подавления рассчитываются на одну частоту. Если кольцо подавления отраженных сигналов рассчитано на частоту

L1, оно не действует на частоту L2, в то время как если оно рассчитано на частоту L2, то оно имеет некоторые преимущества для частоты L1. Недавно появились двухчастотные кольца подавления, которые можно настраивать отдельно для частоты L1 и L2. Если GPS сигнал отслеживали в течение нескольких часов, то можно воспользоваться медленным изменением геометрии многолучевости, вызванной движением спутников.

Перемещение спутников служит причиной изменения относительной задержки между прямыми и вторичными путями распространения сигнала, как результат можно измерить изменения в принятом сигнале. Хотя существуют множество разнообразных алгоритмов для извлечения сигнала прямого пути из полученного сигнала, этот метод применяется достаточно редко т.к. надо наблюдать сигнал в течение долгого времени. Несмотря на факт, что метод обработки временного интервала для ошибки многолучевости

GPS была предметом активного исследования в течение последних двух десятилетий, все еще остается много неизученного на теоретическом и практическом уровне. Большинство практических подходов были разработаны изготовителями приемников, которые зачастую отказываются рассказывать о своих методах. Примеры таких технологий - Стробовый коррелятор Ashtech, Inc и MEDLL NovAtel,

Inc . С этими технологиями уменьшения многолучевости, ошибка в измерении псевдодальности уменьшилась до нескольких метром, даже в очень рефлексивной окружающей среде 2 . 7.5 Вариация фазового центра антенны Точка, в которой был получен сигнал GPS, называется фазовый центр антенны. Вообще, центр фазы антенны не совпадает с физическим геометрическим центром антенны. Он меняется в зависимости от высоты и азимута

GPS спутника, так же как интенсивность наблюдаемого сигнала. В результате, мы можем ожидать еще одну ошибку в определение дальности. Размер ошибки, вызванной вариацией фазового центра антенны, зависит от типа антенны, и обычно находится в диапазоне нескольких сантиметров. Достаточно сложно моделировать вариацию фазового центра антенны и поэтому надо проявлять осторожность при выборе антенны.

Для геодезических работ разработаны специальные антенны, колебание фазового центра в которых в горизонтальной плоскости ограничивается значением менее чем в 1 миллиметр. 7.6 Шум в измерении приемника Шум в измерениях приемника следует из несовершенства электроники приемника. Хорошая система GPS должна иметь минимальный шумовой уровень. Чем дороже приемник тем качественней в нем используется электроника.

Обычно средняя ошибка при измерении дальности из-за шума приемника для недорогих моделей имеет порядок 0.6 м и для геодезического класса порядка 1 мм 2 . 7.8 Ионосферная задержка В верхних слоях атмосферы земли ультрафиолетовое и рентгеновское излучение от солнца взаимодействует с газовыми молекулами и атомами. Как результат этого взаимодействия газовая ионизация большое количество свободно отрицательно заряженных электронов и положительно заряженных атомов и молекулы.

Такая область атмосферы называется ионосферой. Она расположена начиная от 50 км. Электронная плотность в пределах ионосферы не постоянна, она изменяется с высотой. Ионосфера разделена на подобласти или слои, согласно электронной плотности. Эти слои называются D 50-90 км , E 90-140 км , F1 140-210 км , и F2 210-1 000 км. Высота и толщина этих слоев меняются со временем, в результате изменения солнечной

активности и магнитного поля земли. Например, F1 слой исчезает ночью и имеет больший размер зимой, чем летом. Ионосфера искривляет путь GPS сигнала и изменяет его скорость, так как он проходит через различные ионосферные слои, чтобы достигнуть GPS приемника. Искривление пути GPS сигнала дает незначительную ошибку при измерении дальности. Существенную ошибку при измерении дальности дает изменение скорости распространения сигнала.

Ионосфера ускоряет распространение фазы несущей, и в тоже время замедляет код PRN и навигационное сообщение на ту же самую величину, так как среда диспергирующая скорость зависит от частоты . Это значит, что расстояние от спутника до приемника измеренное фазой несущей короче, а с помощью кода длиннее в сравнении с фактическим расстоянием. Ионосферная задержка пропорциональна числу электронов на пути

GPS сигнала, называемому полным содержанием электронов total electron content . ПЭС зависит от ряда факторов время дня уровень электронной плотности достигает ежедневного максимума рано днем и минимума около полуночи по местному время от времени года уровни электронной плотности выше зимой, чем летом 11-летний солнечный цикл уровни электронной плотности достигают максимальное значение приблизительно каждый 11 лет, который соответствуют максимуму солнечной активности и географическое

положение уровни электронной плотности минимальны в области средних широт и очень нерегулярны в полярных и экваториальных областях. Задержка в распространении сигнала зависит от его частоты. Чем меньше частота, тем больше задержка то есть для сигнала L2 1227.60 МГц , ионосферная задержка больше чем для L1 1575.42 МГц . Ионосферная задержка имеет диапазон от 5 до 15 м.

Можно использовать дисперсионный характер ионосферы для устранения ошибки. Ионосферная задержка может быть определена с высокой степенью точности при помощи измеренья псевдодальности P кодом на L1 и L2. Относительно простой анализ показывает, что время задержки изменяется обратно пропорционально квадрату несущей частоты. Это можно представить следующей моделью для измерения псевдодальности в L1 и L2 частотах 7.1 где геометрическая дальность до спутника измеренная псевдодальность, i 1, 2 измерение

на частотах L1 или L2, знак перед константой зависит от способа измерения дальности с помощью кода или фазы несущей . Эти два уравнения могут быть решены относительно. Решение для при измерении псвевдодальности кодом 7.2 Где f1 и f2 - несущие частоты сигнала L1 и L2 . В дифференциальном режиме ионосферная ошибка может быть почти полностью устранена, при условии что базовая и перемещающаяся станция находятся на достаточно

близком расстоянии. При использовании двух одночастотных приемников GPS отделенных не более чем 30 км друг от друга, ионосферная ошибка достигает уровня 10-20 см. Если расстояние между приемниками 100 км ошибка может достигать 1 метра. К сожалению, P-код доступен только зарегистрированным пользователям. Со временем, добавлением C A кода в L2 сигнал, как часть программы по модернизации, это ограничение

будет снято. При измерении расстояния с помощью отслеживания фаз несущих L1 и L2 ионосферная задержка может быть устранена подобным же способом 8 . Пользователи одночастотных приемников не могут воспользоваться этим эффектом, однако, они могут воспользоваться эмпирическими ионосферными моделями, которые устраняют 60 ошибки. Наиболее широко используемая модель - модель Клобачар, коэффициенты которой передаются в навигационном

сообщении. Модель Клобачара для ионосферной задержки в секундах 3 7.3 - дополнительная ионосферная задержка. 7.4 7.5 7.6 7.7 где и с n 0, 1, 2, 3 коэффициенты модели ионосферы полученные приемником из навигационного сообщения, угол между пользователем и спутником. 7.8 7.9 7.10 7.11 7.12 где 0 t 86,400 если t86,400 секунд, то отнимают 86,400 если t 0, то добавляют 8400 секунды. угол места между пользователем и спутником. A азимутальный угол между пользователем и спутником, геодезическая широта пользователя. геодезическая

долгота пользователя. GPS time вычисленное приемником время системы. фаза. T безразмерный коэффициент наклонного направления. t местное время секунда . геомагнитная широта подионосферной точки проекция на земную поверхность точки максимальной ионизации, нарсположенной на высоте окоа 350 км . геомагнитная долгота подионосферной точки. геодезическая широта подионосферной точки. угол между приемником и подионосферной точкой. Приведенный алгоритм справедлив для усредненных в глобальном масштабе

значений основных составляющих вариации задержки. Здесь не учитывается, например, суточные вариации, которые могут составлять 20 25 , и региональные в приэкватариальной зоне и в высоких широтах. 7. 9 Тропосферная задержка Тропосфера - электрически нейтральная область атмосферы, которая расположена до 50 км от поверхности земли, состоит из сухих газов и водного пара. Тропосфера увеличивает путь распространения сигнала из-за рефракции.

Задержки для фазы несущей и кода, в отличие от ионосферы, равны. Измеренное расстояние между спутником и приемником будет больше, чем фактическое. В отличие от ионосферной задержки, тропосферная задержка не может быть устранена, используя двухчастотный метод, так как у тропосферной задержки нет зависимости от частоты. Тропосферная задержка зависит от температуры, давления, и влажности на пути сигнала, проходящего через

тропосферу. Расстояние, пройденное сигналами через тропосферу, будит зависеть от угла, на котором расположен спутник, чем меньше угол, тем больше расстояние, пройденное сигналом через тропосферу. Поэтому, тропосферная задержка будит минимальная при положении спутника в зените и максимальная, если он расположен около горизонта. Ошибка для тропосферной задержки приблизительно 2.3 м в зените спутник непосредственно над приемником , около 9.3 м для угла в 15 , и 20-28 м для 5 .

Тропосферная задержка может быть разделена на два компонента сухой компонент газовый компонент и влажный компонент пара . Сухой компонент задержки представляет приблизительно 90 задержки и может быть предсказан высокой степени точности, используя стандартные атмосферные модели для сухой задержки. Они измеряют задержку в зените с ошибкой в пределах 0.5 м. Эти стандартные атмосферные модели базируются на законах идеального газа.

Оценка сухой задержки может быть значительно улучшена, если давления и температуры известны, это уменьшает остаточную ошибку до 2-5 от общего числа. Влажный компонент тропосферной задержки приблизительно в высотах до 12км намного более трудно смоделировать, потому что существует значительная пространственная и временная вариация водного пара в атмосфере. К счастью, влажная задержка это всего 10 от общего числа, всего 5-30 см в средних широтах. Несмотря на не постоянность этой ошибки, математические модели, использующие метеорологические

измеренья атмосферное давление, температура, и водное давление пара способны уменьшить ее до 2-5 см 4 . Самое простое соотношение для вычисления тропосферной поправки псевдодальности наземного наблюдателя имеет вид 3 метр 7.13 где угол между приемником и спутником. GPS приемник не может точно измерить ошибку, которая дает тропосфера при определении псевдодальности, однако, дифференцирование может свести её к минимуму, используя большую пространственную корреляцию

до 100-200 км тропосферных ошибок, но если штормовые фронты проходят между приемниками, причиняя большие градиенты в температуре, давлении, и влажности то дифференцирование не возможно. 7. 10 Ошибка второй порядка в ионосфере Использования двух частот в GPS позволяет исправить ошибку первого порядка от 1 до 50м, связанную с групповой задержкой или ускорением распространения фазы в ионосфере. Второй порядок ошибки в ионосфере - следствие эффекта вращения

Фарадея, вызванный магнитным полем Земли. Приблизительно в 1000 раз меньше, чем ошибка первого порядка и обычно не учитывается. Рассчитаем вторую поправку при помощи метода предложенным Bassiri and Hajj 10 . В самом начале работы GPS было невозможно получить миллиметровую точность. Только в последние годы при увеличении качества сигнала и техники моделирования, миллиметровая точность стала стандартом для геодезических работ на основе

GPS. Использование двух частот в GPS при определении местоположения дает возможность устранить ошибку первого порядка связанную с групповой задержкой или ускорением распространения фазы в ионосфере от 1 до 50 м. в зависимости от положения спутника, состояния ионосферы, местного времени, сезона и солнечного цикла. Оставшийся эффект лежит в пределах от миллиметра до нескольких сантиметров и обычно не принимался во внимания. Влияние ионосферы на распространения радиосигнала может быть выражено следующими формулами 7.14 7.15

где i 1, 2 обозначает несущею частоту GPS 1575,42 и 1227,6 МГц 1.2 МГц , и измеренное кодом или фазой расстояние до спутника, длина волны, n целое число длин волн, соответствует геометрическому расстоянию до спутника. В уравнениях 7.14 и 7.15 7.16 7.16 где угол между магнитным полем земли и направлением распространения сигнал K, c скорость света в вакууме, N электронная плотность и

TEC электронная плотность на пути распространения сигнала . В уравнениях 7.14 и 7.15 видно, что член 1-ого порядка служит причиной групповой задержку и ускорения фазы. Если путь распространения сигнала k сонаправлен , то член 2-ого порядка дает дополнительную групповую задержку или ускорение по фазе и обратный эффект, когда k не сонаправлен . 7.17 Запишем уравнение 7.15 для двух частот. Можно исключить член первого порядка путем их линейной

комбинации. Получаем расстояние до спутника не зависящее от ионосферы. В результате этой линейной комбинации мы исключили член 1-го порядка, а член 2-го порядка поменял свой вид. Теперь член 2-го порядка, когда k сонаправлен ,вызывает задержку по фазе или увеличивает групповую скорость и при k не сонаправленном мы наблюдаем обратный эффект. Основываясь на результатах 11 , запишем формулу для оценки ионосферной задержки, вызванной магнитным

полем земли, для кода и фазы в метрах 7.18 7.19 где индекс m указывает на Земные магнитные координаты, магнитная широта станции, магнитная долгота станции, высота спутника, азимут спутника, широта подионосферной точки где сигнал пересекает атмосферу , радиус Земли, H высота ионосферной оболочки, длина волны GPS сигнала, сумма и H, кодовая задержка и фазовая задержка. 7.10 Анализ ошибок

Для анализа эффектов выше перечисленных ошибок, удобно преобразовывать каждую ошибку в эквивалентную ошибку по дальности, которую называют пользовательская эквивалентная ошибка дальности user-equivalent range error UERE . В общем, разные типы ошибок будут иметь различные статистические свойства. Например, ошибки спутниковых часов и эфемерид изменяться медленно и имеют длительные временной интервал. С другой стороны, ошибки из-за шума приемника изменяются намного быстрее, возможно, что несколько раз

секунд. Тем не менее, если в течение долгого времени рассмотреть большое количество разных навигационных сценариев, то можно полагать, что все ошибки имеют среднее значение и, следовательно, ошибки можно представить одной единственной величиной - UERE 4 . Она равна корню квадратов всех ошибок Умножая UERE на соответствующее значение DOP, получаем ожидаемую точность позиционирования GPS. Проанализируем точность для кодовых приемников, с помощью

UERE табл. 1 . Таблица 1. Точность кодовых приемников ошибки С A-код P код Ионосфера 7 0,01 Тропосфера 0,7 0,7 Шум приемника 1,5 0,6 Многолучевость 1 1 Ошибка эфемерид и часов 3,6 3,6 UERE 8 4 Из таблицы следует, что при типичном геометрическом факторе HDOP горизонтальный фактор снижения точности , равном,

2, точность определения координат 1- уровня составит 16 м для CA кода, а для Р-кода 8м 11 . 8. Типы приемников GPS В 1980 всего лишь один коммерческий GPS приемник можно было встретить в продаже, и его цена составляла несколько сотен тысяч долларов. Однако, к сегодняшнему дню ситуация изменилась, более 500 различных моделей приемников доступно на рынке. Цены на них варьируется от 100 для простых моделей и до 15 000

для сложных геодезических моделей. Цены продолжают снижаться, так как технологии становятся все более доступными 2 . Коммерческие GPS приемники могут быть разделены на два типа, согласно их предназначению. Для большинства потребителей, для которых не нужна метровая точность, доступны приемники, отслеживающие только CA код. Для задач требующих миллиметровую точность, например геодезические работы, используются приемники способные отслеживать одновременно фазу несущий на одной или двух частотах и

CA код. Приемники GPS также характеризуются по числу возможных отслеживающих каналов. Возможное число каналов 1 до 12. Хороший GPS приемник должен быть многоканальным, каждым канал отслеживает свой спутник. На сегодняшний день большинство приемников имеют 9 - 12 независимый каналов. При покупке GPS приемника нужно принимать во внимания его цену, легкость использования, потребления энергии, размеры, вес, тип коррелятора, способы хранения данных и программное обеспечение,

входящие в комплект с ним. 9. Модернизация GPS В 1996 году федеральная политика в области планирования и развития GPS была подкреплена Президентской, определяющей политику США в области GPS. Директива указывала стратегическое направление в управлении и использовании GPS, предполагая решение широкого спектра задач в военных, гражданских, коммерческих и научных интересах, как для США, так и для пользователей во всем мире 9 .

Эта директива также определила роль и ответственность каждой из служб Министерства Обороны, Министерства Транспорта и Государственного департамента. В дальнейшем был организован межведомственный исполнительный комитет IGEB - Interagency GPS Executive Board для управления системой GPS и ее развитием на правительственном уровне. Первое заседание

IGEB состоялось в 1997 году. Главной темой для обсуждения стал разговор о необходимости введения дополнительных гражданских GPS сигналов для совершенствования услуг предоставляемых неограниченному числу гражданских и коммерческих пользователей. В результате IGEB приняла решение выделить вторую гражданскую частоту в течение года. В совокупности с уже существующими разработками ВВС США по объединению потребностей гражданских и военных пользователей в обновленный документ, содержащий

эксплуатационные требования, эти действия стали основой для начала программы модернизации системы GPS 9 . 9.1 Гражданские задачи Услуги стандартного место определения предоставляются пользователям для гражданского, коммерческого и научного использования непрерывно и на территории всего мира без взимания прямой платы за использование сигналов GPS. На сегодняшний момент гражданским пользователям системы полностью доступен только один SPS сигнал кодированный с помощью

C A-кода на частоте L1 . Поэтому, с точки зрения гражданских пользователей основной задачей модернизации является предоставление для них дополнительных кодированных сигналов. В 1998 году вице-президент Гор заявил, что второй гражданский сигнал будет транслироваться на частоте 1227.6 Мгц, известной как GPS частота L2. В настоящее время эта частота модулируется только с помощью P Y кода, используемого военными и авторизованными пользователями.

Вице-президент также отметил, что третий гражданский сигнал, предназначенный специально для служб спасения, начнет передаваться с 2005 года. В январе 1999 года была выбрана частота для третьего гражданского сигнала, известного сегодня как L5. L5 будет располагаться на частоте 1176.45 МГц в диапазоне, выделенном для служб авиационной радионавигации. Для пользователей GPS, работающих в автономном режиме в реальном масштабе времени без использования

дифференциальной коррекции добавление второго и третьего гражданского сигнала обеспечит избыточность сигналов, улучшит точность местоопределения, продлит время непрерывной работы и повысит устойчивость к радиочастотным помехам 9 . Два новых дополнительных кодированных гражданских сигнала C A - код на частоте L2 и новый сигнал на частоте L5 также улучшат работу пользователей в приложениях, связанных с высокоточными измерениями на длинных и коротких базовых линиях - таких как обеспечение

точного захода самолетов на посадку и автоматическое приземление, картографирование, геодезические и геофизические измерения, прецизионное фермерство и многих других. 9.2 Военные задачи В дополнение к предоставлению услуг SPS, Президентская Директива 1996 года также обязывают правительство США и Министерство Обороны предоставлять услуги точного местоопределения

PPS - Precise Positioning Service для военных и прочих авторизованных пользователей. В дальнейшем политика предусматривает развитие мероприятий, направленных на предотвращение использования системы GPS и после ее модернизации силами противника, таким образом, чтобы США и союзники сохраняли военное преимущество без нарушения работы гражданских пользователей GPS. Для успешного поставленной задачи военные должны иметь возможность выборочно отключать сигналы

GPS на определенных территориях, на которых эти сигналы могут быть использованы для осуществления враждебных намерений, в то же время авторизованные пользователи PPS сервиса должны без помех продолжать военные операции. Спектральное разделение гражданского и военного сигналов представляется ключевым моментом, благодаря которому подобные функции могут быть реализованы. Как результат, модернизация системы, ориентированная

на оборонные задачи сводится к вводу новых военных кодов, называемых в совокупности M-кодом. Новый военный сигнал и структура кода также будут дополнены криптографической защитой и изменениями в формате сообщений передаваемых данных. Основываясь на обоснованном требовании к повышенной мощности военного сигнала, GPS спутники следующего поколения будут способны передавать при необходимости M-кодированные сигналы в требуемом регионе с мощностью на 20dB больше, чем у существующего

P Y -кода. Все эти улучшения системы позволят военным силам США и их союзникам значительно усилить помехозащищенность и расширить возможности защиты сигнала при проведении военных операций во всем мире 9 . 9.3 Усовершенствование существующих сигналов Реализация новой структуры сигнала является краеугольным камнем усовершенствованного сервиса, предоставляемого системой GPS сообществу ее пользователей, как гражданских, так и военных.

Однако для гражданских пользователей первый реальный шаг в модернизации системы произошел в начале этого года, когда в полночь на 1 мая 2000 года был отключен режим снижения точности, известный как режим избирательного доступа SA - Selective Availability , в предоставляемых GPS услугах стандартного местоопределения SPS . Без всяких дополнительных пользовательских затрат на оборудование, отключение режима избирательного доступа дает миллионам пользователей

GPS во всем мире значительные преимущества в реализации широкого круга их задач. Следующим крупнейшим фактором, вносящим ошибку в точность позиционирования GPS, после отключенного SA является задержка сигнала при прохождении им земной атмосферы. Поскольку военные пользователи системы постоянно имеют полный доступ к двум частотам и сигналам в режиме PPS, это позволяет им исправлять ионосферную ошибку путем формирования линейной комбинации измерений

псевдодальностей по частотам L1 и L2 для математического расчёта и устранения практически всех систематических ионосферных ошибок из измерений по частоте L1. Гражданский доступ к дополнительным кодированным сигналам позволит увеличить точность с помощью ионосферной коррекции для динамических приложений даже при сложных условиях с радиочастотными помехами или многолучевости 9 . 9.4 Добавление третьего гражданского сигнала Во время процесса подбора

IGEB гражданского сигнала стало очевидно, что простое добавление C A-кода на частоте L2 не будет достаточным для использования системы GPS в приложениях, связанных с обеспечением безопасности полетов гражданской авиации, поскольку существует потенциальная опасность внесения помех наземными радарами, работающими на частотах расположенных рядом с частотой L2. Применение частоты L2 необходимой для обеспечения безопасности полетов в международном

диапазоне ARNS потребует изменения частот многих наземных устройств для вывода их за пределы перекрывающегося диапазона. Правительственные агентства США произвели предварительные расчеты стоимости таких работ и сделали вывод, что она будет слишком высока. Взамен этого, как наилучший вариант для гражданской авиации был предложен новый широкополосный GPS сигнал. Средства передачи третьего гражданского сигнала на частоте 1176.45 Мгц L5 будут установлены на первом спутнике серии Block

IIF, производства фирмы Боинг Boeing , так же как и для передачи C A-кода на частоте L2 и M-кода на частотах L1 и L2. Сигнал на частоте L5 был специально разработан так, чтобы несколькими способами улучшить его характеристики по сравнению с существующим C A-кодом на частоте L1. Мощность сигнала L5 будет больше на 6 dB, чем у сигнала

L. Составляющая нового сигнала, в которой отсутствуют данные, также позволяет обеспечить наиболее устойчивое отслеживание фазы несущей, необходимой для большинства приложений. Преимущества использования сложных сигналов ARNS из космоса значительны. Например, при использовании двухчастотной авиационной радиоэлектроники, работающей на частотах L1 L5, станет возможно вычислять ионосферную задержку непосредственно с помощью бортовой аппаратуры.

Это позволит получить возможность использования как глобальной навигации, так и систем точного захода на посадку с минимальным инвестированием в наземную инфраструктуру SBAS Space-based Augmentation Systems для большинства стран 9 . 9.5 Усовершенствование наземной аппаратуры Обновление сегмента оперативного контроля, отражает часто упускаемую, но весьма существенную часть общей программы модернизации системы.

Некоторые усовершенствования направленные на развитие возможности отслеживания всех сигналов, передаваемых космической группировкой системы GPS, делают сеть оперативного контроля более устойчивой, улучшают точность позиционирования как для военного, так и для гражданского сервиса и добавляют новые функции для управления модернизированными спутниками. Описанные выше усовершенствования включают Усовершенствование существующих станций мониторинга

GPS и их наземных антенн с установкой новых цифровых приемников и компьютеров Реализация инициативы увеличения точности AII - Accuracy Improvement Initiative , интеграция с сетью спутникового контроля ВВС США и обеспечение полной совместимости со спутниками серии IIR Ввод в действие дублирующей станции оперативного контроля

AMCS - Alternate Master Control Station на авиабазе Ванденберг Vandenberg Добавление функций управления и контроля для спутников серии IIF Вдобавок к другим эксплуатационным функциям, таким как мониторинг исправности спутников и их положения на орбите, наземная сеть управления определяет эфемериды орбитальное положение и параметры хода часов спутников, входящих в космическую группировку GPS, и загружает эти данные на спутники.

Поскольку атмосферные ошибки были устранены с помощью двухчастотных методов, описанных ранее , эфемериды и ошибки хода часов становятся самым значимым фактором, вносящим ошибку в точность определения местоположения GPS. В существующей конфигурации космической группировки GPS ошибки хода часов и эфемерид составляют от 1.8 до 1.4 метра, соответственно для эквивалентной пользовательской ошибки дальности UERE - user equivalent range error суммарная ошибка составляет 2.3 метра.

Новая технология, называемая инициативой увеличения точности AII - Accuracy Improvement Initiative , позволит уменьшить влияние ошибки хода часов и эфемерид до уровня UERE порядка 1.25 метров. Это будет достигнуто с помощью объединения данных с 6 до 14 дополнительных станций мониторинга, управляемых Национальным агентством картографии NIMA - National Imagery and Mapping Agency , в новую, полностью коррелированную,

Центральную станцию управления MSC . Ожидается, что это позволит достичь точности позиционирования в горизонтальной плоскости не менее 6 метров для всех пользователей GPS, работающих в автономном режиме. 9.7 Заключение Система GPS модернизируется для дальнейшего развития характеристик позиционирования и навигации в интересах гражданских и военных пользователей. Первым шагом в модернизации системы стало отключение режима селективного

доступа SA , за этим последует целая серия мероприятий, включающих приближающийся пересмотр спецификации сигнала GPS SPS, добавление C A-кода на частоте L2 и M-кодов на частотах L1 и L2 начиная с 2003 года, добавление третьего гражданского сигнала L5 , разработанного совместно с авиационными пользователями и службами обеспечения безопасности начиная с 2005 года, модернизация наземной сети управления для повышения надежности эксплуатации и точности

системы. Все эти действия позволят улучшить точность автономного местоопределения. Для научных и геодезических измерений, не использующих режим реального времени, сантиметровый уровень точности будет достигаться быстрее и с меньшими затратами, чем сейчас. Это станет возможным благодаря использованию трех частот для облегчения процесса разрешения неоднозначности при выполнении высокоточных фазовых измерений. Также уменьшится шансы воздействия на систему

GPS любых случайных помех. Заключение На основании всего вышесказанного, мы можем сделать следующие выводы. Для задач, которым нужна сантиметровая точность, например геодезические работы, используют метод дифференциальной коррекции, исправляющий большинство ошибок. Остаются ошибки связанные с многолучевостью сигнала и ошибки появляющиеся в результате шума приемника. Усовершенствование дизайна антенн, технологии производства приемников и программных методов обработки

сигнала свели эти ошибки к минимуму. В этом методе мы ограничены точностью определения координат базовой станции, относительно которой производят измерения положения остальные приемники. При невозможности использования предыдущего метода определение координат происходит силами только одного двухчастотного приемника, в котором при измерении ионосферной задержки для получения максимальной точности надо учитывать поправку, связанную с влиянием магнитного поля земли на распространения радиоволн, как

можно точно прогнозировать задержку в тропосфере. Все способы устранения этих ошибок далеки от совершенства и являются объектом пристального исследования ученых по всему мира. Для класса одночастотных приемников, в которых гарантированная точность не менее 16 метров, трудней всего исключить ошибки связанные с задержкой в ионосфере, так как они не обладают возможностью отслеживать сигнал на 2-х частотах. Они пользуются ионосферными моделями, которые далеки от совершенства и поэтому

являются одним из важных объектов исследования. Ошибки, связанные с задержкой в тропосфере и многолучевости не дают такой большой вклад в неточность определения координат. В приемниках данного класса нет большой необходимости в точности, и поэтому производители больше уделяют внимание не увеличению ее, а усовершенствованию других функций приемников, таких как возможность загрузки в них карт. В связи с планами модернизации системы

GPS рассмотрим, какие основные возможности она откроет для увеличения точности. Два новых дополнительных кодированных гражданских сигнала C A - код на частоте L2 и новый сигнал на частоте L5 улучшат работу пользователей в приложениях, связанных с высокоточными измерениями на длинных и коротких базовых линиях - таких как обеспечение точного захода самолетов на посадку и автоматическое приземление, картографирование, геодезические и геофизические

измерения, так как уменьшится время разрешения неоднозначности и увеличится длина базовых линий что позволит использовать наилучшую ионосферную коррекцию на больших расстояниях. Использование C A-кода на частоте L2 совместно с L1 уменьшит типичную ионосферную ошибку с 8 метров до 0.01 метра. На основании этого можно ожидать появление гражданских двух частотных приемников с ошибкой меньше 9 метров. Список использованных источников 1.

Gregory T. French. Understanding the GPS. GeoResearch, Inc 1996 255с. 2. Ahmed El-Rabbany. Introduction to GPS. Artech house, Inc 2002 176с. 3. Interface Control Document ICD-GPS-200-C 2000 138с. 4. Mohinder S. Grewal. GPS, Inertial Navigation, and Integration. John Wiley

Sons, Inc 2001 387с. 5. Hoffmann-Wellenhof. Global Positioning System Theory and Practice. New York. Springer-Verlag 1994 475с. 6. Kaplan E. Understanding GPS Principles and Applications. Artech House, Inc. -1996 375с. 7. Trimble. A GPS tutorial. Javed, Inc 2001 47с. 8. Bassiri Sassan,

George A. Kajj. Higher-order ionospheric effects on the global positioning system observables and means of modeling them. Manuscripta geodaetica. -1993 C.357-361. 9. Навгеоком. Модернизация системы глобального позиционирования GPS. http www.agp.ru 10. S. Kedar G. A Hajj B. D. Wilson, M. B. Heflin. The effect of the second order GPS ionospheric correction on receiver.

GEOPHYSICAL RESEARCH LETTERS 2003 Т.30, 16 C.157-161. 11. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М. Эко-Трендз 2000 264с.