Анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы работающей в дифференциальном режиме (стр. 8 из 21)

Ранее комитет решил, что поправки должны относиться к измерениям псевдодальности, а не к измеренному положению, несмотря на то, что результирующее сообщение значительно длиннее. Причина заключается в том, что пользователь и опорная станция могут использовать различные спутники, в зависимости от большого числа условий. Если это происходит, даже в том случае, когда три из четырех спутников одинаковы, позиционная ошибка от одного не общего спутника может быть слишком велика.

Причины, по которым пользователь и опорная станция отрабатывают данные от разных спутников, следующие:

· Критерий выбора спутников приемниками может быть разным.

· Рельеф или кривизна земли могут затенять низко расположенные спутники от пользователя или опорной станции.

· Приемник пользователя может применять стратегию использования всех спутников, находящихся в поле зрения, по которой все видимые спутники используются для определения местоположения.

· Набор спутников доступных в месте нахождения пользователя может отличаться от того, который доступен в месте размещения опорной станции. Передаваемые поправки к псевдодальностям всех спутников, которые находятся в поле зрения опорной станции, могут использоваться приемником пользователя в дифференциальном режиме (т.е. выбираются только те поправки, которые относятся к спутникам, находящимся в поле зрения пользователя) для определения местоположения. Геометрия дифференциальной GNSS показана на рисунке 3.1.

Рисунок 3.1 – Геометрия дифференциальной GNSS.

Дифференциальный режим GPS и/или GLONASS предполагает получение точностей 1-10 метров для динамических навигационных приложений. При использовании кинематической технологии обработки фазы несущей GNSS в дифференциальном режиме можно достичь точностей лучше, чем 10 см для небольших дальностей, менее 20 км. Базовая концепция дифференциального режима GNSS подобна той, какая используется в дифференциальном режиме LORAN-C, в дифференциальном режиме OMEGA и в режиме транслокации, применяемом в TRANSIT.

Дифференциальная технология работает, если преобладающие ошибки являются систематическими ошибками, вызванными причинами, находящимися вне приемника. Это относится к случаю GPS и GLONASS [7]

3.1 Принцип дифференциального режима

Дифференциальный режим работы системы состоит в следующем. Сигналы с навигационных спутников принимаются не только конечным потребителем, но и базовой (базовыми) станциями с известными координатами. Базовая станция вычисляет величину поправки измеренных координат относительно истинных заранее известных. Далее, основываясь на гипотезе что постоянная составляющая погрешности потребителя и базовой станции приблизительно равны, эта поправка отправляется потребителю и учитывается при расчетах координат потребителя.

Источники [1, 8] позволяют провести следующую классификацию современных дифференциальных систем спутниковой навигации.

1. Системы дифференциальной навигации по кодовым и псевдофазовым измерениям. Системы дифференциальной навигации по кодовым измерениям строятся на основе измерения и обработки псевдодальностей, в общем случае, имеют неограниченную область действия и характеризуются ошибками местоопределения от долей метра до нескольких метров. Системы дифференциальной навигации по псевдофазовым измерениям характеризуются очень высокой точностью местоопределения (до долей сантиметра). Однако область их действия ограничена дальностью ~10–12 км в одночастотном режиме и ~100 км в двухчастотном режиме. Специфической особенностью дифференциальных систем по псевдофазовым измерениям является неоднозначность этих измерений, затрудняющая их использование. Системы дифференциальной навигации по псевдофазовым измерениям иногда называют системами относительных определений [8].

2. Системы дифференциальной навигации по кодовым измерениям, в свою очередь, разделяют на локальные (Local Area Differential GPS), широкодиапазонные (Wide Area Differential GPS, WADGPS) и глобальные (Global Differential GPS, GDGPS). Дальнейшая уточняющая классификация систем дифференциальной навигации будет проводиться только для систем на основе кодовых измерений.

3. Большинство современных систем дифференциальной навигации являются локальными. Они используют только одну наземную станцию измерений и формирования дифференциальных поправок (далее будем называть её дифстанцией). Дифстанция располагается в центре локальной зоны, размер которой согласно [8] может доходить до 200 км. В центре зоны обеспечивается точность местоопределения порядка 0,5–1 м. На периферии зоны точность ухудшается и постепенно приближается к точности абсолютных местоопределений. Дифференциальные поправки в локальных системах дифференциальной навигации могут формироваться на основе метода коррекции координат (the position–domain approach) и метода коррекции навигационных параметров (the measurement–domain approach). На практике большее распространение получил второй метод, в котором дифстанция формирует поправки к измерениям псевдодальностей для каждого из видимых ею спутников. Потребитель поправляет свои измерения псевдодальностей по тем же спутникам на значения, полученные от дифстанции. Для передачи поправок, сформированных в соответствии с методом коррекции навигационного параметра, был разработан специальный стандарт RTCM SC-104, учитывающий в настоящее время особенности навигационных систем GPS.

4. В широкодиапазонных системах дифференциальной навигации (WADGPS) используется сеть станций сбора информации (ССИ) и принципиально иной метод формирования дифференциальных поправок. Этот метод получил название the state-space approach (дословно - метод коррекции параметров пространства состояния или, более содержательно, метод коррекции параметров моделей движения КА, параметров модели ионосферных задержек и смещений шкал времени навигационных спутников). В широкодиапазонных системах измерения двухчастотных навигационных приёмников, расположенных на станциях сбора информации (ССИ), собираются в единый центр, где осуществляется их совместная обработка с целью оперативного уточнения параметров моделей движения КА, смещения шкал времени спутников и составления карт вертикальных ионосферных задержек. Все перечисленные данные затем оперативно передаются тем или иным способом потребителю, который использует их для уточнения данных, извлекаемых им из сигналов навигационных спутников. Согласно [8], широкодиапазонные системы дифференциальной навигации обеспечивают точность местоопределения со среднеквадратической ошибкой ~0,5 м в области, охватываемой сетью ССИ, и смежных с ней областях. В [8] указывается на сильную корреляцию между ошибками оценки смещений шкал времени и ошибками оценки вертикальных координат приёмника. Такая корреляция возникает вследствие идентичности соответствующих частных производных, особенно для спутников с большими углами места. Стабилизация опорных частот приёмников станций сбора информации и приёмника потребителя с помощью рубидиевых генераторов позволяет лучше разделять ошибки оценки смещения шкал времени и вертикальных координат приёмника. Результаты соответствующих экспериментов демонстрируют среднеквадратические ошибки вертикальных координат меньше 0,4 м.

Дополнительным, очень важным свойством широкодиапазонных систем является возможность резкого повышения целостности, по сравнению с целостностью, свойственной базовыми спутниковыми системами.

В настоящее время в мире известны только две широкодиапазонных системы дифференциальной навигации. Первая система WADGPS принадлежит фирме Satloc. Вторая система WAAS (Wide Area Augmentation System) прина длежит правительству США. Обе системы развёрнуты и эксплуатируются на территории США. В системе WADGPS фирмы Satloc потребителю сообщается карта вертикальных ионосферных задержек с шагом 2°. В системе WAAS, в зависимости от класса точности, потребитель может использовать карты вертикальных ионосферных задержек разной точности. Наиболее подробные карты содержат до 929 точек прокола ионосферы (IPP - ionosphere pierce points) [8].

Согласно [8], функционирование широкодиапазонных систем дифференциальной навигации основано на использовании трёх основных видов программного обеспечения. Первый вид — программное обеспечение уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников. Второй вид — вычисление подробных карт вертикальных ионосферных задержек. Третий вид — программное обеспечение, организующее непрерывное функционирование наземной сети дифференциальной системы в реальном масштабе времени.

5. По своей структуре глобальные системы дифференциальной навигации (GDGPS) очень схожи с широкодиапазонными системами (WADGPS). Они так же используют наземную сеть станций сбора информации и тот же метод формирования дифференциальных поправок (the state-space approach). Основное отличие заключается в том, что исключение ионо-сферных ошибок в глобальных системах дифференциальной навигации осуществляется путём использования двухчастотных измерений [8].

В настоящее время можно указать на существование пока что единственной в мире глобальной системы дифференциальной навигации, использующей в качестве основы станции глобальной GPS сети (GGN) NASA. Для передачи измерений в центр обработки используется глобальная сеть Internet.

3.2 Методы дифференциальной коррекции

Предполагается, что за счет соответствующего исключения влияния движения спутника и обработки измеренных данных, информация может быть, в принципе, оптимально отфильтрована с тем, чтобы обеспечить прогнозирование ошибок по дальности и по скорости изменения дальности для следующей передачи сообщений. Ошибка по дальности и по скорости изменения дальности для каждого спутника может быть величиной, которая обеспечивает наилучшие среднеквадратические ошибки для периода следующего сообщения. Причиной такого предположения является тот факт, что наземная станция, будучи стационарной и выполняющей обработку информации о фазе несущей, может выполнять прогнозирующую фильтрацию сигналов спутников и может обеспечивать лучшие оценки поправок, чем может генерировать приемник пользователя.