DGPS

Материал из Википедии — свободной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску

DGPS (англ. differential global positioning system) или СДК ГНСС (Системы Дифференциальной Коррекции Глобальных Навигационных Спутниковых Систем) — система повышения точности сигналов ГНСС, заключающаяся в исправлении измеренных приемником псевдодальностей до спутников поправками к ним, полученным из вне, от достоверного измерителя (базовая или опорная станция). При этом компенсируются как атмосферные искажения, так и эфемеридные ошибки.

Любая Система DGPS использует сеть стационарных наземных опорных станций для определения погрешности (разницы) между известными координатами и определенными спутниковой системой GPS. Опорная станция вычисляет дифференциальные поправки для собственного местоположения и времени, после чего они передаются пользователю. Существует несколько видов использования (введения) навигационных поправок: постпроцессинг и PPP, RTK и методы использующие спутники связи. Различаются они точностью полученных измерений и временем, затраченным на их получение.

Так, режим постобработки (постпроцессинг, апостериорная обработка данных) позволяет добиться наибольшей точности (в субсантиметровых пределах), но требует значительного времени на сбор и обработку данных. PPP (precise point positioning) подразумевает получение высокоточных данных эфемерид и поправок к часам спутников (от суток («быстрые» эфемериды) до двух недель («финальные» эфемериды)). Под DGPS или DGNSS также понимаются фазовые методы определения координат относительно базовой станции. Режим RTK[1] - позволяет получать поправки в реальном времени, с точностью порядка 1 см в плане и 2 по высоте. В методах использующих спутники связи времени затрачивается существенно меньше — фактически, работы могут проводиться в реальном времени.

История[править | править код]

При в воде GPS в эксплуатацию, американские военные были обеспокоены возможностью использовать, глобально доступныx сигналов GPS, силами противника. Первоначально правительство считало, что сигнал "грубого приема" (C/A) даст только точность около 100 метров, но с улучшенными конструкциями приемников фактическая точность составила от 20 до 30 метров.[2]. И начиная с марта 1990 года[3], чтобы избежать такой "Неожиданной" точности, сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575,42 МГц), был преднамеренно ухудшен (Загрублен) путём смещения его тактовой частоты на случайную величину, эквивалентную примерно 100 метровому расстоянию на поверхности земли. Этот метод, известный как "выборочная доступность", или С/А, серьезно ухудшил качество сигнала GPS для невоенных пользователей. Более точное определение было возможно при использовании 2-ой частоты L2 (1227,6 МГц), которая в свою очередь, была доступна только авторизованным пользователям с ключами дешифрирования.

Что создало проблему для гражданских пользователей. Правительство получили несколько отказов от использования ГНСС в мирных целях. Связано это было с малой точностью сигнала С/A. Был поставлен вопрос об окупаемости не только самой системы GPS как таковой, но и наземных радионавигационные систем (Лоран, VOR и NDB) используемыми гражданскими службам. Обслуживание которых обходилось в миллионы долларов в год и были слишком дороги, но обеспечивали необходимую точность в сравнении с сигналом С/A. Доступ к глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) мог бы обеспечить значительное повышение точности и производительности при незначительных затратах, однако военные ведомства по-прежнему решительно возражали по соображениям безопасности.

В начале 80-х годов ряд гражданских учреждений разработали решение "проблемы С/A". Постольку поскольку сигнал С/A менялся медленно, решение заключалось в том что 100 метровая зона смещения сигнала являлась относительно фиксированной и образует локальную систему координат (если смещение было "100 метров к востоку", это смещение верно на достаточно широкой площади). Вещание этого смещения на местные GPS-приемники могло устранить "эффекты С/A" и приблизить результаты к теоретической производительности GPS, около 15 метров. Кроме того, еще один крупный источник ошибок в GPS-фиксации связан с задержками передачи радиосигнала в ионосфере, которые также могут быть измерены наземными станциями и исправлены по средствам ретрансляции. Что увеличивает точность до 5 метров и предопределило дальнейшее развитие DGPS.

Береговая охрана США была одним из наиболее агрессивных сторонников системы DGPS, экспериментируя с системой на все более широкой основе в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Эти сигналы транслирвались на морских длинноволновых частотах, которые могли быть приняты на радиотелефонах и переданы в приемники GPS. Почти все крупные поставщики GPS предлагали устройства с входами DGPS не только для сигналов USCG, но и для авиационных устройств на УКВ-или коммерческих AM-диапазонах.

Раздача радио сигнала с информацией DGPS на лимитированной основе началась в 1996 на большинство портовых заходов США, и быстро расширилась в партнерстве с канадской береговой охраной. Были введены в действие планы по расширению системы по всей территории США, но это было нелегко. Качество корректировок DGPS, как правило, снижалось с расстоянием, и крупные передатчики, способные охватывать большие площади, как правило, группировались вблизи городов. Это означало, что районы с более низкой численностью населения, особенно на Среднем Западе и Аляске, будут мало охвачены наземным GPS-станциями.

К середине 90-х годов стало ясно, что система загрубления сигнала больше не может выполнять отведенную ей роль. DGPS сделал ее неэффективной, именно там, где она считалась наиболее необходимой. Кроме того, опыт войны в Персидском заливе показал, что широкое использование гражданских приемников американскими войсками означало, что сохранение С/A включенным, причинит больше вреда, чем пользы[4]. в 2000 год после многих лет давления исполнительный приказом президента Билла Клинтона С/A был отключен навсегда[5]. К моменту отключения С/A DGPS стал неотъемлемой частью систем ГНСС по всему миру, которая помогает устранять различные погрешности. К ним относятся ионосферные эффекты, ошибки в данных об эфемеридах положения спутников, а также тактовый дрейф на спутниках. В зависимости от количества данных, передаваемых в сигнале коррекции DGPS, точность определения координат может достигнуть менее 10 см.

По состоянию на ноябрь 2013 года Национальная система DGPS USCG состояла из 85 вещательных сайтов, которые обеспечивают двойной охват почти всей береговой линии США и внутренних судоходных водных путей, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Кроме того, система обеспечивет единый или двойной охват большинства внутренних районов Соединенных Штатов.[6]

В середине 90-х эстафету в развитии дифференциальных методов коррекции подхватила авиационная отрасль. По заказу Министерства транспорта США (DOT) и Федеральнго управлением авиации (FAA) в рамках федеральной программы радионавигации, начиная с 1994 года запущена в разработку система WAAS, которая была призван обеспечить показатели, сопоставимые с показателями приборной системы посадки[7].

В начале 2000-х был запущен сигнал для авиации общего пользования, охватывающий 95% территории США и часть Аляски, предлагающие минимально 100 метровую точность.

К концу 2000-х компания Hickok & Associates, базирующаяся в Алабаме, стала первым разработчиком вертолёта с системой WAAS.[8][9][10] А FAA одобрила технические требования для авиасудов снабжённых данной системой. Чуть позже, после создания инфраструктуры, и более крупные суда стали оснащаться приемниками[11], так свой первый рейс, Портленд-Сиэтл авиакомпании Horizon Air, с использованием WAAS совершил Bombardier Q400.

Космические системы типа WAAS предлагают точность, аналогичную наземным сетям DGPS USCG, и есть предположения в пользу того, что первые полностью вытеснят последние.

Назначение[править | править код]

Точность определения местоположения с помощью GPS обычно составляет от 2 до 10 метров. Этого недостаточно для проведения специальных измерительных работ. Система DGPS предназначена для повышения точности определения координат от 1 метра до нескольких сантиметров в зависимости от метода.

Недостатки[править | править код]

Общей проблемой для всех методов DGPS является то что почти все из компенсированных ошибок варьируются в зависимости от пространства. По этой причине точность DGPS уменьшается с расстоянием от опорной станции, проблема может быть усугублена, если пользователю и станции не хватает "общего созвездия/плеяды" - когда они не могут видеть одни и те же спутники.

Методы[править | править код]

  • квазидифференциальные методы: постобработка (Post processing) реальных измерений данными измерений, полученными на базовой станции (до 1-2 см) и метод PPP;
  • дифференциальный метод коррекции от опорных станций DGNSS (до 1 метра) или систем дифференциальной коррекции (до 20 см);
  • кинематика реального времени - RTK (Real Time Kinematic) (до 3 см).

Квазидифференциальные методы: Относительные методы, Постобработка (Post processing) и PPP[править | править код]

В конце 1990-х годов, когда даже карманные приемники были довольно дорогими, были разработаны некоторые методы относительных GPS определений, использующие от 3 до 10 точек съёмки (Статика, Кинематика и Stop & Go) и обязательный Post processing.

Post processing (Постобработка) - в широком смысле, это все то, что происходит после основных действий. Постобработка GPS измерений предполагает под собой передачу сырых данных с приемника на ЭВМ и обсчёт полученных данных с помощью специализированных программ.

Постобработка как метод DGPS применяется для получения точных координат и высот неизвестных точек, связывая их с известными точками реперами, пунктами и знаками. Логически постпроцесинг разделяется на 3 части - сам обсчёт, уравнивание и пересчёт из глобальной (географической) системы в некую местную (локальную) метрическую прямоугольную.

Обсчёт заключается в вычисляет исходных линий (векторов), используя данные одновременных измерений от двух или более приемников GPS. Исходные линии (вектора) представляют собой трехмерную линию, проведенную между двумя точками, занятыми каждой парой GPS-антенн. Пост-обработанные измерения позволяют более точно позиционировать, потому что большинство ошибок GPS влияют на каждый приемник почти одинаково, и поэтому могут быть взаимоисключены.

Пересчёт заключается в определении "ключей перехода" сопоставления систем координат глобальной(WGS84, ПЗ90 и т.д.) и локальной и простого матричного пересчёта. Не требует одновременных измерений двух или более приемников, может быть выполнено одним GPS-приемником.

Уравнивание - математический процесс связанный с выявлением и устранением ошибок.

Дальнейшим развитием относительных (квазидифференциальных) методов стал метод PPP и референцный метод.

Постобработка (Post processing) или Элементарная Дифференциация[править | править код]

Одновременно наблюдая один и тот же спутник одновременно с двух приемников, мы получаем доступ к двум псевдодальностям, которые имеют значение.

  • R: расстояние, вычисленное приемниками
  • d : фактическое расстояние
  • dt : ошибка синхронизации

или аналогично для тропосферной ошибки, эфемеридной ошибки и релятивистской ошибки.

После чего исчезают общие ошибки; это ошибки, характерные для спутников :

смещение часов ; эфемериды ; релятивистские эффекты.

Основные источники ошибок[править | править код]

ошибки из-за смещения часов: ошибка синхронизации-это ошибка из-за плохой корреляции времени между часами приемника и часами спутника

эфемериды: эфемериды, загруженные с земли и транслируемые спутником, несовершенны

релятивистские эффекты: прецизионные часы, расположенные на земле, с одной стороны, и на спутниках, вращающихся вокруг Земли, подвергаются различному поведению

ионосферная ошибка: относительно пути в ионосферном слое

ошибка тропосферы: относительно пути в тропосферном слое.

Системы дифференциальной коррекции[править | править код]

Российская СДКМ[править | править код]

Широкозонная система дифференциальной коррекции для российской навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС.

Европейская сеть DGPS[править | править код]

Европейская сеть DGPS была разработана по заказу правительств Финляндии и Швеции для повышения безопасности на архипелаге между двумя этими странами.

Сеть NDGPS в США[править | править код]

Сеть NDGPS функционирует только в прибрежных водах обоих побережий США, в районе Великих озёр и на внутренних водных путях Миссисипи.

Сеть DGPS в Канаде[править | править код]

Канадская система аналогична системе США и предназначена для использования в первую очередь на море. Охватывает Атлантическое и Тихоокеанское побережье, район Великих озёр и реку Святого Лаврентия.

См. также[править | править код]

Примечания[править | править код]

  1. RTCM PAPER 136-2001/SC104-STD, page 1-7
  2. McNamara, Joel (2008), GPS for Dummies (2nd ed.), ISBN 978-0-470-15623-0, <https://books.google.com/books?id=9hTSVscLI7QC&pg=PT60&lpg=PT60&dq=gulf+war+commercial+GPS+%22selective+availability%22&source=bl&ots=htk9aPKTnS&sig=cwS6-iprwWYs-nNYCYrsxIfRzls&hl=en&sa=X&ei=-tJDT_rpOKfXiQKGk-z0Cg&ved=0CDMQ6AEwAg#v=onepage&q=gulf%20war%20commercial%20GPS%20%22selective%20availability%22&f=false> 
  3. Ho, Angela; Mozdzanowski, Alex & Ng, Christine (2005), GPS Case, Open Courseware, MIT, <https://ocw.mit.edu/courses/institute-for-data-systems-and-society/ids-900-integrating-doctoral-seminar-on-emerging-technologies-fall-2005/lecture-notes/lec6_gps.pdf> , page 11.
  4. GPS for Dummies, stating that there weren't enough military GPS receivers, so "Selective Availability was temporarily turned off in 1990 during the Persian Gulf War" so that Coalition troops could use civilian GPS receivers.
  5. Statement by the President regarding the United States' Decision to Stop Degrading Global Positioning System Accuracy. Office of Science and Technology Policy (May 1, 2000). Дата обращения 17 декабря 2007.
  6. USCG DGPS coverage plot via USCG Navigation Center. Дата обращения 7 июля 2013.
  7. http://gauss.gge.unb.ca/us1996frp.pdf
  8. http://www.ainonline.com/news/single-news-page/article/waas-approaches-coming-to-heliports/?no_cache=1&cHash=a7ee70cd1a (недоступная ссылка)
  9. http://www.flttechonline.com/Current/Hickok%20and%20Associates%20Developing%20WAAS%20Approaches%20for%20Helicopters.htm
  10. http://www.ainonline.com/ain-and-ainalerts/aviation-international-news/single-publication-story/browse/0/article/owners-responsible-for-private-helo-approaches/?no_cache=1&tx_ttnews (недоступная ссылка)[mode]=1
  11. Horizon Makes Aviation History with First WAAS Flight.