Файл: Курс лекций Владивосток 2010.pdf

100 существенно уменьшается и из обычных 6–11 ПИ может «видеть» 2–
4 спутника, что неизбежно приводит к ухудшению точности опреде- ления места, а иногда и к невозможности работы ПИ.
Также может возникнуть ситуация, когда ПИ находится вне зоны радиовидимости, но ПИ принимает его сигнал, отражённый от близ- лежащих объектов, обладающих хорошей отражающей способностью
(скалы, высотные здания, мостовые конструкции и т.п.). В этом слу- чае расчётное псевдорасстояние будет несколько превышать факти- ческое. К этому же может привести и фактор многопутности (много- лучёвости), когда на антенну ПИ попадает как прямой, так и отра- жённый от близлежащих объектов сигнал спутника. При этом проис- ходит интерференция этих сигналов, и расчётное псевдорасстояние увеличивается. Фактор многопутности может привести к погрешно- сти до 2 м. Его можно устранить, используя специальные антенны, не допускающие приёма сигналов спутников с низкими высотами, кото- рые наиболее подвержены этому явлению.
Рассогласование и погрешности шкал времени спутника и
ПИ. Несмотря на чрезвычайно высокую точность эталонов времени спутника и ПИ, они всё же обладают некоторой систематической по- грешностью, которая может несколько увеличиться за счёт возмож- ного рассогласования временных шкал спутника и ПИ. Эта погреш- ность может достигать 0,6 – 2 м.
Погрешности расчета эфемерид. Эти погрешности возникают вследствие неточностей в прогнозе (в ЦУС наземной подсистемы) и расчёте (в судовом ПИ) орбитальных параметров (эфемерид) спутни- ка. Эти погрешности носят систематический характер и приводят к погрешностям измерения координат около 0,6 м.
Инструментальные погрешности аппаратуры ПИ. Обуслов- лены в основном наличием шумов в электронном тракте приемника.
От этого зависит отношение сигнал/шум ПИ, что определяет точность процедуры сравнения принятого от сигнала и опорного сигналов, т.е. погрешность вычисления псевдорасстояния. Это приводит к возник- новению погрешности в координатах порядка 1,2 м.
7.4. Точность обсерваций. Показатели ухудшения точности
При анализе точности обсерваций по СНС NAVSTAR использу- ется несколько специально разработанных для этой цели показателей, которые определяются взаимным расположением спутников и ПИ, т. е. чисто геометрическими соображениями. Напомним, что зависи- мость точности определения места судна от взаимного расположения

101 передающих станций и судового ПИ показана ранее применительно к гиперболическим РНС, в частности РНС «Лоран-С».
Если допустить, что измерения всех принятых к расчету обсерва- ции псевдорасстояний равноточны, а имеющиеся погрешности неза- висимы, то в соответствии с положениями теории вероятностей спра- ведливой будет следующая формула:
2 2
2 2
2 2
t
h
m
m
m
m
m
К









,
(7.6) где m
ρ
– средняя квадратическая погрешность измерения псевдорас- стояния; m
φ
,
m
λ,
m
h
,
m
δt
– средние квадратические погрешности со- ставляющих, разложенных по широте φ, долготе λ, высоте h и времени
Δt.
Отсюда




m
m
m
m
m
К
t
h
2 2
2 2




(7.7)
В англоязычной литературе этот параметр обозначается как
GDOP (т. е. Geometric Dilution of Precision, что в русскоязычной лите- ратуре переводится как геометрическое понижение или ухудшение точности или просто – геометрический фактор). Этот параметр ис- пользуется для оценки точности общего решения системы четырёх уравнений вида (7.2).
Если из выражения (7.7) убрать m
δt
, то получим параметр, кото- рый называется пространственным ухудшением точности (PDOP – Po- sition Dilution of Precision), или пространственным фактором



m
m
m
m
PDOP
h
2 2
2



(7.8)
PDOP применяется для оценки точности положения ПИ в про- странстве, т. е. по широте, долготе и высоте над поверхностью геоида.
Если же не принимать во внимание и высоту h, то выражение
(7.7) сводится к следующему:



m
m
m
НDOP
2 2


(7.9)

102
Этот параметр называется ухудшением точности в горизонталь- ной плоскости (HDOP – Horizontal Dilution of Precision), или горизон- тальным фактором, и именно он характеризует точность положения
ПИ по широте и долготе.
Для оценки вертикальной составляющей погрешности можно ис- пользовать параметр, который называется ухудшением точности по вертикали, или вертикальным фактором (VDOP – Vertical Dilution of
Precision). Он определяется следующим образом:

m
m
VDOP
h

(7.10)
Существует также параметр ухудшения точности определения времени, или временной фактор – ТDOP (Time Dilution of Precision), определяемый как


m
m
ТDOP
t

(7.11)
Очевидно, что PDOP
2
= HDOP
2
+ VDOP
2
и GDOP
2
= PDOP
2
+
TDOP
2
В навигации точность определения места судна принято оцени- вать радиальной СКП (М
о
), которая в общем виде через элементы эл- липса погрешностей может быть записана как
2 2


m
m
М
о


. (7.12)
В случае трёх псевдорасстояний (3 спутника) М
о
рассчитывается по следующей формуле:



ср
S
o
A
m
M
ср
ср
2
sin
3
cosh




ср
S
A
h
m
ср
ср
2
sin
3
sec

, (7.13) где
ch
m

– среднее значение СКП измерения псевдорасстония;
ср
S
h
– среднее значение высоты спутников над плоскостью горизонта;
ср
А

– среднее значение разности направлений (азимутов) на спут- ники.

103
Тогда, сопоставив уравнения (7.9) и (7.12), получим
2 2


m
m
М
о


= HDOP· m
ρ
. (7.14)
Следовательно, при обсервации по трём псевдорасстояниям
HDOP



ср
S
A
h
ср
2
sin
3
sec
. (7.15)
Аналогичным образом можно показать, что для случая с четырь- мя псевдорасстояниями
HDOP


ij
S
ср
h

2
sin
4
sec
, (7.16) где θ
ij
– попарные углы пересечения изолиний.
В процессе приёма сигналов спутников их взаимное расположе- ние на небосводе непрерывно меняется. Одни спутники восходят над горизонтом, другие – заходят, при движении по небосводу постоянно изменяются их высоты и азимуты. При определении места в судовых
ПИ решается задача выбора из числа наблюдаемых спутников (6–11) оптимального созвездия из 3-4 спутников, взаимное расположение ко- торых обеспечит получение минимального значения GDOP (или
PDOP). В этом случае и радиальная СКП обсервации будет мини- мальна. При трёх спутниках минимальное значение PDOP, равное примерно 1,45, наблюдается в том случае, если спутники на мини- мально видимых высотах (10–15
о
) располагаются по горизонту через
120
о друг от друга. Если наблюдается четыре спутника, то для дости- жения минимального значения Г четвёртый спутник должен нахо- диться в зените.
В ПИ СНС NAVSTAR по величине GDOP оценивается качество обсервации. При GDOP, равном 1–3, обсервация считается отличной,
4–6 – хорошей, 7–9 – удовлетворительной. Иногда качество обсерва- ции в зависимости от точности указывается на дисплее буквой: А – высокая точность; В – хорошая; С – удовлетворительная; D – плохая.
В современных судовых ПИ при минимальном значении геометриче- ского фактора наиболее высокая точность обсерваций оценивается радиальной СКП, равной 5–10 м.

104
Помимо точности определения места судна качество работы СНС оценивается и другими показателями, которые применительно к дру- гим РТС ранее не рассматривались. К ним относятся доступность, це- лостность и непрерывность.
Доступность определяется долей времени, в течение которого
СНС обеспечивает получение пользователем надежной навигацион- ной информации.
Целостность – это способность СНС обеспечить пользователей своевременными предупреждениями в случаях, когда систему нельзя использовать для навигации в силу каких-либо причин.
Непрерывность характеризует способность СНС функциониро- вать без перерывов с заданными рабочими характеристиками в тече- ние заданного периода времени.
7.5. Повышение точности и целостности
спутниковой навигационной системы
Проблема повышения точности определения координат и целост- ности СНС особенно актуальна в авиации. Именно потребности авиа- ционных пользователей обусловили разработку различных методов повышения как точности определения координат, так и целостности работы СНС. В настоящее время эта проблема в различных вариантах, один из которых реализован в СНС NAVSTAR в виде дифференци- ального режимы работы этой системы, получившего название диффе- ренциальной GPS, или DGPS.
Идея дифференциального режима заключается в том, что на бере- гу в местах, координаты которых определены с высокой точностью с помощью геодезических методов, устанавливаются наземные станции со специальной аппаратурой и ПИ, которые принимают сигналы спутника, рассчитывают псевдорасстояния и определяют обсервован- ные координаты антенны ПИ. Затем на основе сравнения точных и обсервованных координат антенны наземного ПИ рассчитываются поправки к координатам, которыми можно воспользоваться, чтобы, исправив обсервованные, получить точные координаты места. В дру- гом варианте рассчитываются поправки к псевдорасстояниям, исполь- зуя которые, также можно получить точные координаты места. При этом допускается, что поскольку расстояния между спутниками и ПИ во много раз превышают расстояния между наземным ПИ и ПИ на близлежащих судах, то условия распространения сигналов спутника для всех ПИ в зоне наземной станции одинаковы. Следовательно, по- грешности измерения псевдорасстояний будут примерно равны, по-

105 этому и рассчитанные для наземного ПИ поправки будут действи- тельны для всех ПИ, находящихся в зоне действия станции. Такие по- правки называют дифференциальными поправками.
Дифференциальные поправки к координатам или к псевдорас- стояниям учитывают реально существующие гидрометеорологические условия, фактическое состояние атмосферы и тропосферы, и в прин- ципе они учитывают все возможные погрешности, за исключением погрешностей, вызванных многопутностью, и инструментальных по- грешностей. Это позволяет с возможной наибольшей точностью опре- делить действующую на данный момент скорость распространения радиосигнала в окрестностях контрольного пункта. Поправки транс- лируются в окружающее пространство, принимаются судовой аппара- турой и при наличии специальной приставки к ПИ или ПИ особого типа учитываются при расчете координат, существенно повышая точ- ность обсерваций.
Дифференциальная подсистема помимо трансляции поправок обеспечивает практически мгновенное оповещение потребителей о выходе из строя того или иного спутника (сигналы целостности), то- гда как в СНС NAVSTAR на это может уйти до двух часов.
Следует отметить, что возможности использования поправок к координатам существенно ниже, чем для поправок к псевдорасстоя- ниям, поскольку в этом случае судовые ПИ должны работать на тех же созвездиях спутников, что и ПИ на ККС.
Рис. 7.6. Дифференциальный режим СНС NAVSTAR [17]

106
Кроме того, наряду с представленными выше существуют и дру- гие разновидности реализации дифференциальной подсистемы, на- пример:
– с использованием относительных координат, когда поправки определяются не по географическим координатам, а на основе расчёта положения контрольного ПИ относительно референсной (базовой) точки;
– с использованием псевдоспутников, т. е. специальных наземных станций, имитирующих работу неподвижных спутников.
Общий принцип работы дифференциальной подсистемы СНС
NAVSTAR показан на рис. 7.6. При этом структура наземной состав- ляющей этой системы может быть различной, и во многом она опре- деляется способом трансляции дифференциальных поправок. Переда- ча таких поправок может выполняться на специально выделенных частотах, на частотах любительских радиостанций по системам мор- ской спутниковой связи (ИМАРСАТ-С) с использованием технологии передачи цифровых данных на частотах FM-радиостанций. Реализу- ются и более редкие варианты: например, корпорация DCI (Differential
Corrections Inc.) распространяет дифференциальные поправки на всю континентальную часть США, используя для ретрансляции радиосиг- налов спутники связи Galaxy. Подобные сети станций действуют и на территориях многих европейских стран. Часто для трансляции диффе- ренциальных поправок используются существующая инфраструктура выведенных из эксплуатации морских радиомаяков, станций РНС.
В специальной литературе часто встречаются два термина, клас- сифицирующие дифференциальные подсистемы (системы) по способу трансляции поправок: GBAS (Ground Based Augmentation Systems – наземные системы) и SBAS (Satellite Based Augmentation Systems – системы, основанные на использовании спутников).
Информация о станциях, передающих дифференциальные по- правки, и порядке их работы приводится в навигационных пособиях.
Например, в Admiralty List of Radio Signals они называются станциями
DGPS, а в отечественном пособии РТСНО, а также в учебной и специ- альной литературе – контрольно-корректирующими станциями (ККС).
В настоящее время функционируют различные дифференциаль- ные подсистемы, которые по размерам зоны действия подразделяются на глобальные, широкозонные (дальнего действия), региональные и локальные.

107
К глобальным можно отнести диф- ференциальную под- систему OmniSTAR, хотя она не обслужи- вает арктические рай- оны (рис. 7.7). В её структуру входит сеть из почти 70 станций, которые собирают информацию о по- грешностях измере- ния псевдорасстоя- ний. Эта информация обрабатывается од- ним из центров управления подсистемой, передается в другие центры
(по всему миру существует 3 центра управления) и затем транслиру- ется на один из семи геостационарных спутников, распределенных над всей земной поверхностью. Далее каждый спутник передает дан- ные о дифференциальных поправках в пределах своей области обслу- живания. Подсистема работает в трех режимах, самый точный из ко- торых обеспечивает получение координат с точностью до 6 см (на уровне вероятности 95 %). Сигналы поправок системы OmniSTAR мо- гут быть получены через радиоканал GPS-приёмником и доступны по подписке.
В широкозонных дифференциальных подсистемах трансляция поправок осуществляется через геосинхронные и геостационарные спутники связи, и их рабочие зоны могут достигать 5000 км. К ним относятся американская WAAS (Wide Area Augmentation System), ев- ропейская EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) и японская MSAS (Multi-functional Satellite Augmentation System). В данном случае фактическая точность определения координат состав- ляет примерно 1 м, время обнаружения неисправностей в работе GPS и индикация соответствующего сообщения (целостность) – около 6 с.
Для обычных потребителей услуги этих подсистем бесплатны.
Региональные дифференциальные подсистемы обслуживают от- дельные регионы Мирового океана размером от 400 до 2000 км. Они включают в себя, как правило, одну-две ККС и средства передачи по- правок и сигналов целостности. К региональным относятся диффе- ренциальные подсистемы Starfix, целая сеть которых, включающая около 60 наземных ККС и четыре спутника связи ИНМАРСАТ, охва-
Рис. 7.7. Зона действия глобальной DGPS
OmniSTAR (затенённая область)

108 тывает большую часть земной поверхности, за исключением России, части Африки и прилегающих к ним морей. При наличии специаль- ных ПИ эта подсистема обеспечивает точность определения коорди- нат до 10–20 см.
Локальные дифференциальные подсистемы имеют зону дейст- вия 20–200 км. Обычно локальная подсистема состоит из одной
ККС, аппаратуры управления и контроля и средств трансляции по- правок (рис. 7.4).
В России в настоящее время реализуется программа развёртыва- ния Морской дифференциальной подсистемы (МДПС). В рамках этой программы первая ККС была установлена на южном берегу Финско- го залива на РМк Шепелевский для обслуживания морского канала, ведущего в Санкт-Петербург. Первой на Дальнем Востоке России ста- ла ККС на мысе Поворотный (на подходах к заливу Находка), которая базируется на месте выведенного из эксплуатации кругового радио- маяка.
Заметим, что морское позиционирование является лишь частью обширного спектра услуг, предоставляемых дифференциальными подсистемами. Они используются в авиации для определения места во время рейса и для обеспечения захода на посадку, для проведения геодезических, картографических, землемерных работ, разведочных и буровых работ на морском шельфе, мониторинга сейсмической ак- тивности, в сельском хозяйстве и на всех видах транспорта, в горно- рудной промышленности и т. п.