Е. Поваляев, С. Хуторной
Обзор дифференциальных систем спутниковой навигации.В опубликованных ранее статьях была рассмотрена структура спутниковых навигационных систем GPS и GLONASS, а также вопросы построения аппаратуры потребителя (аппаратная и программная часть). В этой статье мы подробно расскажем об особенностях современных дифференциальных систем, которые позволяют существенно повысить точность определения координат потребителя.
Что такое дифференциальная навигация?
Точность определения координат потребителя, которую обеспечивают системы GPS и GLONASS, составляет около 10 м. Однако для многих приложений, таких как навигация автомобилей, судов на узких фарватерах, геодезии, навигации летательных аппаратов, подобная точность недостаточна. Для увеличения точности местоопределения был предложен метод дифференциальной навигации, который обеспечивает точности до нескольких десятков сантиметров.
Дифференциальный режим реализуется с помощью контрольного навигационного приёмника, называемого базовой станцией. Базовая станция устанавливается в точке с известными географическими координатами. Сравнивая известные координаты (полученные в результате прецизионной геодезической съёмки) с измеренными координатами, базовый навигационный приёмник формирует поправки, которые передаются потребителям по каналам связи (рисунок 1).
Приёмник потребителя учитывает принятые от базовой станции поправки при решении навигационной задачи. Это позволяет определить его координаты с точностью до одного метра.
Различают два метода вычисления поправок:
Результаты, полученные с помощью дифференциального метода, в значительной степени зависят от расстояния между потребителем и базовой станцией. Применение этого метода наиболее эффективно, когда преобладающими являются систематические ошибки, обусловленные внешними (по отношению к приёмнику) причинами. Эти ошибки в значительной мере компенсируются при близком расположении базовой станции и приёмника потребителя. Поэтому зона обслуживания базовой станции составляет не более 500 км.
Передача дифференциальных поправок от базовой станции к потребителю может осуществляться с помощью телефонной или радиосвязи, по системам спутниковой связи (например, INMARSAT), а также с использованием технологии передачи цифровых данных RDS (Radio Data System) на частотах FM-радиостанций. В настоящее время во многих странах уже действует развитая сеть базовых (дифференциальных) станций, постоянно транслирующих поправки на определённую территорию.
Например, в США дифференциальные поправки передаются береговой охраной через морские радиобуи, работающие на частоте 283,5–325 кГц. Пользоваться этим сервисом может любой желающий. Под Санкт-Петербургом в феврале 1998 года была установлена первая базовая станция. Она передаёт дифференциальные поправки на частоте 298,5 кГц.
Классификация современных дифференциальных систем спутниковой навигации
Источники [1-3] позволяют провести следующую классификацию современных дифференциальных систем спутниковой навигации.
Дополнительным, очень важным свойством широкодиапазонных систем является возможность резкого повышения целостности, по сравнению с целостностью, свойственной базовыми спутниковыми системами. В [1] обсуждаются способы повышения целостности за счёт использования возможностей, предоставляемых широкодиапазонными системами дифференциальной навигации.
В настоящее время в мире известны только две широкодиапазонных системы дифференциальной навигации. Первая система WADGPS принадлежит фирме Satloc [7,8]. Вторая система WAAS [1] (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° [7]. 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) [1].
В [8] приводится интересное сравнение характеристик системы WADGPS фирмы Satloc с характеристиками системы WAAS. Задержка формирования корректирующих поправок в системе фирмы Satloc составляет 4 с, а системе WAAS ~6 с. Satloc использует только 15 ССИ, расположенных только на континентальной территории США. WAAS использует избыточное число из 24-х ССИ, расположенных как на континентальной территории США, так и на Аляске и Гавайских островах. Для того, чтобы удовлетворить строгим требованиям доступности (availability), обеспечивающих высокую степень целостности, система WAAS требует два или более геостационарных спутника, излучающих дополнительные дальномерные коды. Скорость передачи корректирующей информации в системе фирмы Satloc равна 750 бит/с, а в системе WAAS — 250 бит/с. Корректирующая информация в системе фирмы Satloc квантуется с дискретом 1/16 м, а в системе WAAS — с дискретом 1/8 м.
Согласно [7,8], функционирование широкодиапазонных систем дифференциальной навигации основано на использовании 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.
Обзор литературы [1,9] позволяет выделить статический, кинематический и динамический методы уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников. В наиболее простом статическом методе решается так называемая вывернутая навигационная задача. Путём обработки измерений двухчастотных навигационных приёмников, осуществляемых одновременно из нескольких наземных пунктов с известными координатами, определяется мгновенное местоположение и смещение шкал времени спутников, находящихся в зоне видимости наземных пунктов. При этом не учитывается динамическая информация, заключающаяся в жёсткой коррелированности пространственного положения спутников в соседние моменты времени. Алгоритм статического метода уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников достаточно подробно описан в [1]. В кинематическом методе дополнительно оцениваются составляющие мгновенного вектора скорости также без учёта динамической информации. В наиболее точном и совершенном динамическом методе оценивается определённый набор параметров орбиты, смещения шкал времени спутников и наземных пунктов, а также некоторых дополнительных параметров, порождающих модельные значения измерений наилучшим образом, согласующиеся с результатами реальных измерений на длительных интервалах времени. Важным достоинством динамического метода является его способность эффективно разделять оценки эфемерид и смещения шкал времени, что увеличивает целостность системы. Как отмечается в [9], если информация о движении спутника игнорируется, то раздельная оценка эфемерид и смещения шкал времени затруднительна, и точная оценка возможна только для суммы обеих компонент.
Программное обеспечение уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников в системе WAAS и дифференциальной системе фирмы Satloc использует алгоритмы из хорошо протестированного и обеспечивающего высокую точность пакета прикладных программ GIPSY/OASIS II (GOA II) [7,9]. Этот пакет использует динамический метод, имеет длительную историю развития и широко используется для высокоточного определения орбит различных КА (в том числе, спутников GPS), а также в целях высокоточной спутниковой геодезии. Разработчиком и владельцем пакета GOA II является Лаборатория реактивного движения (Jet Propulsion Laboratory, JPL) Калифорнийского технического института (California Institute of Technology). Исходный пакет GOA II состоит по большей части из фортранных программ и UNIX-сценариев, что сильно затрудняет его использование в режиме реального времени и среде, отличной от UNIX. Для преодоления этих ограничений JPL на основе пакета GOA II разработало новый пакет Real-Time Gipsy (RTG). Этот пакет предназначен для использования в системах широкодиапазонной дифференциальной навигации и прочих системах реального времени, например, в проектах NASA по определению орбит на борту КА и определению координат радиолокатора с синтезированной апертурой на самолёте в реальном масштабе времени [7]. WAAS и дифференциальная система фирмы Satloc используют для уточнения параметров орбит и смещения шкал времени спутников пакет RTG, лицензированный JPL.
В пакете прикладных программ GIPSY/OASIS II (GOA II) [9] оцениваются координаты и составляющие вектора скорости спутников на некоторый узловой момент, смещение шкал времени спутников и наземных пунктов, тропосферные искажения и коэффициент солнечного давления. Указанные параметры оцениваются по измерениям на 30-часовых интервалах [9]. В результате точность определения траектории возрастает более чем в три раза, по сравнению с точностью орбит, параметры которых передаются в навигационных сообщениях спутников. Среднеквадратические ошибки по радиусу, поперёк и вдоль орбиты для указанного выше случая составляют соответственно 0,65, 1,37 и 1,96 м [9].
Обработка измерений осуществляется путём фильтрации относительно опорной траектории, для построения которой используются следующие модели:
Для фильтрации используется Square Root Information Filter (SRIF), обладающий повышенной численной устойчиво-стью, по сравнению с non-square root implementations. В предположении отсутствия проблем вычислительной устойчивости SRIF эквивалентен Калмановскому фильтру.
В литературе [1,7] встречается описание двух методов вычисления подробных карт вертикальных ионосферных задержек. В основе первого метода [1], называемого nonlinear static estimation (NSE), лежит вычисление оценок параметров простой модели вертикальных ионосферных задержек Клобучара, обеспечивающих наилучшее в квадратическом смысле согласование модельных данных с результатами измерений. Измерения извлекаются из двухчастотных измерений навигационных приёмников, установленных на станциях сбора информации. Итерационный алгоритм таких вычислений приведён в [1]. Второй метод использует модифицированную версию пакета программ Global Ionosphere Map (GIM), разработанного JPL [1,8]. Пакет программ GIM содержит программы на Фортране и UNIX-сценарии. Для увеличения мобильности и удобства работы в реальном масштабе времени JPL разработала на основе GIM новый пакет программ - Real Time Ionosphere (RTI), предлагаемый ею для лицензионного использования. В GIM и RTI ионосфера представляется как оболочка над Землёй в системе координат, фиксированной относительно Солнца. Ионосфера в такой системе не зависит от вращения Земли и, следовательно, не зависит от местного времени. Оболочка дискретизуется на треугольные элементы. Значение интегральной электронной концентрации (ТЕС) в вершине каждого треугольника трактуется как случайный параметр и оценивается с помощью Калмановского фильтра. Начальные ограничения задаются моделью Бента. Широкодиапазонная система дифференциальной навигации фирмы Satloc для вычисления карт вертикальных ионосферных задержек использует пакет RTI, лицензированный JPL.
Некоторые сведения о программном обеспечении, организующем непрерывное функционирование наземной сети дифференциальной системы в реальном масштабе времени, приводятся в [3,7]. Автор данного обзора не является специалистом в данной области и поэтому обзор по программному обеспечению организации непрерывного функционирования наземной сети ограничен только ссылками.
Исключение необходимости вычислять подробные карты вертикальных ионосферных задержек позволяет сильно снизить плотность станций наземной сети. По мнению авторов [3], для этих целей достаточно иметь 12 хорошо расположенных по всему миру станций сбора информации. Для реальных экспериментов авторы [3] использовали 18 из порядка 60 станций всемирной глобальной сети GPS (Global GPS Network, GGN) принадлежащей NASA, которые оборудованы двухчастотными навигационными приёмниками. В [2,3] отмечается необходимость введения избыточных станций и доведения их количества до 25–30. Введение избыточных станций позволяет увеличить точность и надёжность дифференциальной системы.
В настоящее время можно указать на существование пока что единственной в мире глобальной системы дифференциальной навигации [2,3], использующей в качестве основы станции глобальной GPS сети (GGN) NASA. Для оперативного уточнения орбит навигационных спутников в этой системе используется тот же пакет прикладных программ RTG (Real Time Gipsy), который используется для уточнения орбит в широкодиапазонных дифференциальных системах фирмы Satloc и WAAS. Для передачи измерений в центр обработки используется глобальная сеть Internet.
Результаты статических испытаний, приведенные в [2,3], демонстрируют среднеквадратические ошибки определения горизонтальных координат менее 0,1 м и менее 0,2 м для вертикальных координат.
Обзор дифференциальных систем спутниковой навигации позволяет сделать вывод о том, что принципы построения глобальных дифференциальных систем в наибольшей степени соответствуют особенностям и условиям, существующим в России. При огромной и очень неравномерно населённой территории России развёртывание плотной сети наземных станций сбора информации, необходимых для вычисления подробных карт вертикальных ионосферных задержек, будет очень дорогостоящим. В глобальных системах дифференциальной навигации ответственность за устранение ионосферных ошибок возлагается на потребителя. Для этого требуется, чтобы пользователи такой системы были снабжены двухдиапазонными навигационными приёмниками, что естественно повысит стоимость аппаратуры потребителя. Однако можно полагать, что при массовом производстве такой аппаратуры стоимость каждого её комплекта, по сравнению со стоимостью комплекта однодиапазонной аппаратуры, возрастёт незначительно. С учётом введения в ближайшем будущем гражданских модулирующих кодов в GPS и Глонасс, распространение и применение двухчастотной аппаратуры потребителя станет повсеместным.
Литература
Автор документа: Сергей Гаврилюк