Введение в ГНСС. Глава 2 - Основные концепции ГНСС.

Введение в ГНСС. Глава 2 - Основные концепции ГНСС.
25.12.2020

Глава 2 - Основные концепции ГНСС

"Любая достаточно развитая технология неотличима от магии." Артур Кларк, британский писатель, изобретатель и футуролог.

В этой главе мы познакомим вас с основными принципами ГНСС. Мы обсудим более сложные концепции в следующих главах.

Поначалу ГНСС может показаться волшебством, но чем больше вы ее изучаете, тем проще и элегантнее она становится. Базовая концепция ГНСС, показанная на рис. 10, иллюстрирует порядок использования ГНСС для определения времени и местоположения, вплоть до приложения конечного пользователя.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 10


Этап 1. Спутники: спутники ГНСС вращаются вокруг Земли. Спутники очень и очень точно знают свои эфемериды орбиты (параметры, определяющие их орбиту) и время. При необходимости наземные станции управления корректируют эфемериды и время спутников. 


Этап 2 - Передача радиосигналов: спутники ГНСС регулярно передают свои эфемериды и время, а также свой статус. Радиосигналы ГНСС проходят через слои атмосферы к пользовательскому оборудованию.

Этап 3 - Прием: пользовательское оборудование ГНСС принимает сигналы от нескольких спутников ГНСС, затем для каждого спутника восстанавливает переданную информацию и определяет время распространения, время, необходимое для прохождения сигналов от спутника до приемника.

Этап 4 - Расчет: пользовательское оборудование ГНСС использует восстановленную информацию для вычисления времени и местоположения.

Этап 5 - Использование: пользовательское оборудование ГНСС передает вычисленное положение и время приложению конечного пользователя, например, для навигации, съемки или картографии.

На следующих страницах мы обсудим каждый из вышеперечисленных пунктов более подробно.


Этап 1 - Спутники

Спутники

На орбите Земли вращаются несколько созвездий спутников ГНСС. Созвездие - упорядоченная группа спутников, обычно состоит из 20-30, расположенных на орбитах, которые были разработаны для обеспечения желаемого покрытия, например, регионального или глобального. Мы предоставим более подробную информацию о созвездиях ГНСС в главе 3.

Спутники ГНСС вращаются над атмосферой на высоте около 20 000 км над земной поверхностью. Они движутся очень быстро, со скоростью в несколько километров в секунду.

Спутники ГНСС не такие маленькие, как вы думаете. Спутники GPS последнего поколения (Block IIF) весят более 1400 кг, что немного больше веса автомобиля Volkswagen Beetle. Размеры корпуса этих спутников 2,5 м х 2,0 м х 2,2 м. На рис. 11 показано изображение корпуса GPS-спутника Block IIR, чтобы понять, насколько они велики.

В относительном вакууме космоса траектории спутников очень стабильны и предсказуемы. Как уже упоминалось, спутники ГНСС очень и очень точно знают свое время и эфемериды орбиты. Если вы запросите время у спутника GPS, он не покажет вам восемь тридцать. Он сообщит вам 8: 31.39875921.

В спутниках GPS последнего поколения используются рубидиевые часы, точность которых составляет ± 5 на 10−11. Эти часы синхронизируются более точными наземными цезиевыми часами. Вам нужно будет наблюдать за одними из этих цезиевых часов более 100 000 лет, чтобы увидеть, как они добавляют или теряют секунду. Для сравнения: если у вас кварцевые часы, они, вероятно, будут иметь точность ± 5 на 10−6 и будут терять около секунды каждые два дня.

Между прочим, если бы всем приемникам ГНСС потребовался бы рубидиевый стандарт, жизнеспособность ГНСС быстро упала бы. Позже в этой главе мы опишем элегантный способ, которым системы ГНСС «передают» точность своих спутниковых часов приемникам ГНСС.

Вам может быть интересно, почему время имеет такое большое значение в системах ГНСС. Это связано с тем, что время, необходимое для прохождения сигнала ГНСС от спутников к приемникам, используется для определения расстояний (диапазонов) до спутников. Требуется точность, потому что радиоволны распространяются со скоростью света. За одну микросекунду (миллионную долю секунды) свет проходит 300 метров. За наносекунду (миллиардную долю секунды) свет проходит 30 см. Небольшие ошибки во времени могут привести к большим ошибкам в положении.

GPS была первой запущенной группировкой ГНСС. При стоимости 12 миллиардов долларов это самая точная навигационная система в мире. 

Российская группировка ГЛОНАСС также запущена и работает. Преимущество доступа к множеству группировок для конечных пользователей - избыточность и доступность. В случае отказа одной системы по какой-либо причине приемники ГНСС, если они оснащены для этого, могут принимать и использовать сигналы со спутников других систем. Системный сбой случается нечасто, но приятно знать, что, если это произойдет, ваш приемник все еще может работать.

Тем не менее, доступ к нескольким группировкам особенно выгоден там, где прямая видимость некоторых спутников затруднена, как это часто бывает в городских или покрытых растительностью районах.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 11


Спутниковые орбиты

Спутники ГНСС вращаются над земной атмосферой. Спутники GPS и ГЛОНАСС находятся на орбите на высоте около 20 000 км. Спутники BeiDou и Galileo вращаются немного выше, около 21 500 км для BeiDou и 23 000 км для Galileo. Орбиты ГНСС, которые являются более или менее круговыми, очень стабильными и предсказуемыми, относятся к категории СОО (средней околоземной орбиты).
 
На 20 000 км сопротивление не так велико, но гравитационные эффекты и давление солнечной радиации действительно немного влияют на орбиты ГНСС, и их иногда приходится корректировать. Пока орбита корректируется, статус спутника ГНСС изменяется на «неработающий», чтобы пользовательское оборудование знало, что не следует использовать его сигналы.

 

Спутниковые сигналы

«Все должно быть изложено так просто, как только возможно, но не проще». Альберт Эйнштейн.

Спутниковые сигналы ГНСС сложны. Для описания этих сигналов требуются не менее сложные слова, такие как псевдослучайность, корреляция и множественный доступ с кодовым разделением каналов (CDMA). Чтобы объяснить эти концепции ГНСС, давайте сначала обсудим спутниковые сигналы GPS.
 
Прежде всего, GPS был разработан как система определения местоположения для Министерства обороны США. Чтобы обеспечить высокоточную информацию о местоположении для военных приложений, в систему была заложена большая сложность, чтобы сделать ее безопасной и невосприимчивой к помехам и помехам. Хотя военные и гражданские компоненты GPS разделены, некоторые из технологий, используемых в военном компоненте, были применены к гражданскому компоненту.
 
С тех пор, как в декабре 1993 года была достигнута первоначальная эксплуатационная способность, GPS стала доступна гражданским пользователям, у которых другие требования к доступности услуг, точности определения местоположения и стоимости.

Частотные характеристики (параметры, описывающие частоту, амплитуду и ширину сигналов) для каждой системы ГНСС немного отличаются. Мы опишем эти параметры более подробно в главе 3. Однако, чтобы проиллюстрировать концепции ГНСС, мы кратко опишем частотную и сигнальную схему, используемую GPS, которая показана на рис. 12. Концептуально это не сильно отличается от частотных параметров для кабельных или вещательных телеканалов.
 
Как показано на рис. 12, спутники GPS передают информацию на частотах L1, L2 и L5. Вы можете спросить: «Как все спутники GPS могут передавать на одинаковых частотах?»
 
GPS работает по той же схеме передачи, которая используется в CDMA.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 12


CDMA - технология, основанная на методе расширения спектра. Спутниковые сигналы GPS, хотя и находятся на одной частоте, модулируются уникальной псевдослучайной цифровой последовательностью или кодом. Каждый спутник использует свой псевдослучайный код. Псевдослучайность означает, что сигнал как-бы формируется случайным образом; на самом деле, через некоторое время он действительно повторяется. 

Приемники знают псевдослучайный код для каждого спутника. Это позволяет приемникам коррелировать (синхронизировать) с сигналом CDMA для конкретного спутника. Сигналы CDMA очень слабые, но благодаря этой кодовой корреляции приемник может восстанавливать сигналы и содержащуюся в них информацию.

Чтобы проиллюстрировать это, рассмотрите возможность послушать человека в шумной комнате. Происходит много разговоров, но каждый разговор ведется на другом языке. Вы можете понять человека, потому что знаете язык, на котором он говорит. Если вы знаете несколько языков, вы также сможете понять, что говорят другие люди. CDMA во многом похож на этот случай.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 13


Возможно, вам будет интересно узнать, что Хеди Ламарр, американская учёная и актриса австрийского происхождения, стала соавтором ранней формы коммуникационных технологий с расширенным спектром. 11 августа 1942 года ей и ее коллеге Джорджу Антейлу был выдан патент США 2292387. Невероятно, но Ламарр сменила карьеру и сняла 18 фильмов с 1940 по 1949 год, но концепции, описанные в ее патенте, способствовали развитию современных средств связи с расширенным спектром.

GPS работает в диапазоне частот, называемом L-диапазоном, частью радиоспектра от 1 до 2 ГГц. L-Band был выбран по нескольким причинам, в том числе:

• Упрощение конструкции антенны. Если бы частота была намного выше, пользовательские антенны пришлось бы делать более сложными.

• Ионосферная задержка более значительна на более низких частотах. Подробнее об ионосферной задержке мы поговорим в разделе - “Распространение радиосигналов” позже в этой главе.

• За исключением вакуума, скорость света ниже на более низких частотах, о чем свидетельствует разделение цветов в свете призмой. Вы могли подумать, что скорость света постоянна и составляет 299 792 458 метров в секунду. Фактически это 299 792 458 метров в секунду в вакууме, но через воздух или любую другую среду это меньше.

• Схема кодирования требует высокой полосы пропускания, которая была доступна не во всех частотных диапазонах.

• Полоса частот была подобрана таким образом, чтобы минимизировать влияние погоды на распространение сигнала GPS.


На частоте L1 спутник передает навигационное сообщение, код C / A грубого обнаружения (общедоступный) и зашифрованный кодовый сигнал (P), называемый кодом P (Y) (ограниченного доступа). 

Навигационное сообщение представляет собой сообщение с низкой скоростью передачи данных, которое включает следующую информацию:

• Дата и время GPS.

• Состояние и здоровье спутников. Если спутник неисправен или его орбита корректируется, его нельзя будет использовать. Когда это произойдет, спутник передаст сообщение о нерабочем состоянии.

• Данные спутниковых эфемерид, которые позволяют приемнику вычислить положение спутника. Эта информация точна до большого количества десятичных знаков. Приемники могут точно определить, где находился спутник, когда передавал свое время.

• Альманах, содержащий информацию и статус всех спутников GPS, чтобы приемники знали, какие спутники доступны для отслеживания. При запуске приемник восстановит этот «альманах». Альманах состоит из приблизительной информации об орбите и состоянии каждого спутника в группировке.



a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 14


Код P (Y) предназначен для использования в военных целях. Он обеспечивает лучшее подавление помех, чем код C / A, что делает военную часть GPS более надежной, по сравнению с гражданский частью GPS. На частоте L2 также передается код P (Y), а на новых спутниках GPS передается код C / A (называемый L2C), предоставляемый гражданским пользователям второй общедоступный код. Хотя информация в коде P (Y) доступна не всем, умные люди придумали способы использования несущей частоты и кода L2, не зная, как они закодированы.

Хотя схема передачи GPS сложна, она была выбрана по многим веским причинам: 

• Приемники GPS могут отслеживать очень слабые сигналы с помощью очень маленьких антенн. Это снижает стоимость приемника. 

• Многочастотный режим позволяет ввести ионосферную поправку, поскольку величина ионосферной задержки радиосигнала меняются с частотой. Система GPS устойчива к помехам и интерференции спутниковых сигналов. 

• Безопасность. Сигналы, доступные и используемые военными приложениями, недоступны для гражданского населения.

Другие системы ГНСС концептуально похожи на GPS, но есть отличия. Мы предоставим больше информации об этих различиях в главе 3.


Спутниковые ошибки 

Спутниковые ошибки включают ошибки эфемерид и часов. Эти ошибки очень и очень малы, но имейте в виду, что за одну наносекунду свет проходит 30 сантиметров.


Время жизни спутников 

Спутники ГНСС не вечны. Иногда их заменяют на новые модели, в которых используют новые сигналы или улучшенные часы. Иногда спутники ГНСС выходят из строя и, если их невозможно восстановить, то их навсегда отключают. 


Спутниковые поправки 

Наземные станции непрерывно контролируют спутники и регулярно корректируют время и информацию об орбите, чтобы обеспечить высокую точность передаваемой информации. Если орбита спутника выходит за пределы эксплуатационных ограничений, он может быть выведен из эксплуатации, а его орбита скорректирована с помощью небольших ракетных ускорителей. 

В нашем случае ГНСС радиосигналы покинули спутниковую антенну и несутся по земле со скоростью света.


Этап 2 - Распространение спутниковых сигналов

Сигналы ГНСС проходят через вакуум космоса, а затем через различные слои атмосферы к Земле, как показано на рис. 15. 

Чтобы получить точное положение и время, нам нужно знать линейное расстояние от спутника до пользовательского оборудования (который мы называем «дальностью» до спутника). Как показано на рис. 15, радиоволны не распространяются по прямому пути. Свет распространяется по прямой только в вакууме или через идеально однородную среду. Подобно тому, как соломинка кажется «согнутой» в стакане с водой, радиосигналы со спутника изгибаются при прохождении через земную атмосферу. Этот «изгиб» увеличивает время прохождения сигнала от спутника до приемника. Как мы объясним разделе 4, расстояние до спутника рассчитывается путем умножения времени распространения (которое, как вы помните, представляет собой время, необходимое сигналу для прохождения от спутника до приемника) на скорость света. Ошибки во времени распространения увеличивают или уменьшают вычисленную дальность до спутника. Между прочим, поскольку вычисленное расстояние содержит ошибки и не совсем соответствует фактическому расстоянию, его называют «псевдодальностью».


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 15



Атмосферу рассматривают как состоящую из нескольких слоев. Слой атмосферы, который больше всего влияет на передачу сигналов GPS (и других ГНСС), это ионосфера, располагающаяся на расстоянии от 70 до 1000 км над земной поверхностью. 

Ультрафиолетовые лучи солнца ионизируют молекулы газов в этом слое, высвобождая свободные электроны. Эти электроны влияют на распространение электромагнитных волн, в том числе на передачу спутникового сигнала GPS. Ионосферные задержки зависят от частоты, поэтому при вычислении дальности с использованием радиосигналов L1 и L2 влияние ионосферы может быть практически устранено приемником.

Другой слой атмосферы, который влияет на передачу сигналов GPS, это тропосфера, самый нижний слой атмосферы Земли. Толщина тропосферы варьируется, от 17 км в средних широтах, до 20 км ближе к экватору, и она более тонкая на полюсах. Задержка в тропосфере зависит от температуры, давления и относительной влажности. Радиосигналы L1 и L2 в тропосфере одинаково задерживаются, поэтому влияние тропосферной задержки не может быть определено так легко, как может быть вычислена ионосферная задержка. Однако можно смоделировать тропосферу, а затем спрогнозировать и компенсировать большую часть задержки.

Часть энергии сигнала, передаваемого спутником, отражается на пути к приемнику. Это явление называется «многолучевым распространением». Отраженные сигналы задерживаются по сравнению с прямым сигналом и, если они достаточно сильны, могут мешать полезному сигналу. Были разработаны методы, при которых приемник учитывает только самые ранние поступающие сигналы и игнорирует многолучевые сигналы, которые поступают позже. На первых порах GPS большинство ошибок происходило из-за задержек в ионосфере и тропосфере, но теперь больше внимания уделяется корректированию эффектов многолучевого распространения в интересах постоянного улучшения характеристик ГНСС.


Этап 3 - Прием спутниковых сигналов

Как мы уже указывали, приемникам необходимо принять сигналы как минимум от четырех спутников для определения местоположения. Использование большего количества спутников, если они доступны, улучшит определение местоположения; однако способность приемника использовать дополнительные спутники может быть ограничена его вычислительной мощностью. Способ, которым приемник использует дополнительные диапазоны, обычно является интеллектуальной собственностью производителя.

В зависимости от реализации, пользовательское оборудование может использовать сигналы от нескольких спутников в разных созвездиях ГНСС.

Чтобы определить точку (положение) и время, приемники ГНСС должны иметь возможность отслеживать как минимум четыре спутника. Это означает, что между антенной приемника и четырьмя спутниками должна быть прямая видимость.

Приемники различаются в зависимости от того, спутники каких созвездий ГНСС они отслеживают, и сколько спутников они могут отслеживать одновременно.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 16


Для каждого отслеживаемого спутника приемник определяет время распространения сигнала. Это возможно из-за их псевдослучайного характера. Чтобы проиллюстрировать это, приводим пример на рис. 17, на котором показана передача псевдослучайного кода, состоящего из нулей и единиц.

Поскольку приемник знает псевдослучайный код для каждого спутника, он может определить время получения кода от конкретного спутника. Таким образом, он может определить время распространения сигнала.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg
Рис. 17

Важность выбора антенны

Антенна действует как пространственный и частотный фильтр, поэтому выбор правильной антенны для приемника ГНСС имеет решающее значение для оптимизации производительности. Антенна должна соответствовать возможностям и характеристикам приемника, а также соответствовать размеру, весу, условиям окружающей среды и механическим характеристикам для предполагаемого применения.


Факторы, которые следует учитывать при выборе антенны ГНСС, включают:


1. Принимаемые созвездия и сигналы

У каждой группировки ГНСС есть свои собственные частоты сигнала и полосы пропускания. Антенна должна покрывать частоты сигнала, передаваемые созвездием, и полосу пропускания, поддерживаемую приемником ГНСС.

2. Коэффициент усиления антенны

Коэффициент усиления - ключевой показатель эффективности антенны ГНСС. Коэффициент усиления можно определить как относительную меру способности антенны направлять или концентрировать радиочастотную энергию в определенном направлении или диаграмме направленности. Минимальное усиление требуется для достижения минимального отношения несущей к мощности шума (С / Ш) для отслеживания спутников ГНСС. Усиление антенны напрямую связано с общим отношением С / Ш навигационных ГНСС-приемников. Следовательно, усиление антенны помогает определить отслеживающую способность системы.

3. Элементное усиление

Коэффициент усиления элемента определяет, насколько эффективен каждый антенный элемент при приеме сигналов. В любой сигнальной цепи общее качество зависит только от самого слабого звена, поэтому элемент антенны с низким коэффициентом усиления может быть компенсирован повышенным коэффициентом усиления малошумящего усилителя. Однако отношение сигнал / шум (С / Ш) ухудшается.

4. Ширина луча антенны и спад усиления

Коэффициент падения усиления зависит от ширины луча антенны, и определяет, насколько усиление изменяется в зависимости от угла возвышения антенны. С точки зрения антенны, спутники поднимаются от горизонта к зениту и опускаются обратно к горизонту. Изменение усиления между зенитом (прямо над головой) и горизонтом известно как спад усиления. Различные технологии, применяемые в антеннах, имеют разные характеристики спада усиления.

5. Стабильность фазового центра.

Фазовый центр антенны, это точка, в которой собираются сигналы, передаваемые со спутников. Когда приемник сообщает о местоположении, это местоположение, по сути, является местоположением фазового центра антенны.

Электрический фазовый центр любой антенны будет изменяться в зависимости от положения источника сигнала, который она принимает, на несколько миллиметров. Когда спутники ГНСС движутся по небу, электрический фазовый центр принимаемого сигнала обычно перемещается вместе с положением спутника, если только антенна не была тщательно спроектирована для минимизации смещения и вариации фазового центра. Смещение фазового центра измеряется относительно базовой точки антенны как разница между механическим центром вращения антенны и фазовым центром. Смещение также зависит от частоты, что означает, что для каждой частоты сигнала может быть разное смещение фазового центра. Вариация фазового центра определяет, насколько сдвигается фазовый центр относительно углов положения спутника.

Многие пользователи могут согласиться с точностью менее метра, поэтому эти небольшие изменения фазового центра вызывают незначительную ошибку определения положения. Но если вам требуется высокая точность, например, приемники с кинематикой в реальном времени (RTK), которые могут обеспечить точность определения положения 2–4 см, ошибка в несколько миллиметров фазового центра может привести к ошибке 10–15% в полученных координатах. Для приложений съемки в режиме RTK используют геодезические антенны, обеспечивающие высокую стабильность фазового центра и его низкой вариации.



a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 18


6. Применение

 

Антенна должна соответствовать рабочим характеристикам, экологическим, механическим и эксплуатационным требованиям предполагаемого применения. Например, антенны ГНСС, используемые в авиации, в идеале должны быть сертифицированы федеральным управлением авиации США (TSO / FAA) и быть достаточно прочными, чтобы выдерживать экстремальные температуры и вибрации корпуса. Антенны, используемые при проведении полевых съемок, должны выдерживать грубое обращение геодезистов, включая возможное падение с высоты.
 
В таблице 1 приведены некоторые основные функции, необходимые для антенны ГНСС в зависимости от области их применения.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Таблица 1.

Этап 4 - Расчет

Если бы мы знали точное положение трех спутников и точное расстояние до каждого из них, мы могли бы геометрически определить свое местоположение. Мы предположили, что нам нужны известные расстояния до четырех спутников для определения местоположения. В этом разделе мы объясним, почему это так, и как на самом деле работает ГНСС позиционирование.

Для каждого отслеживаемого спутника приемник вычисляет, сколько времени потребовалось спутниковому сигналу, чтобы достичь его, следующим образом:

Время распространения, это разница между моментом временем, когда сигнал от спутника достиг приемника, и временем в момент отправки сигнала со спутника.

Умножение значения времени распространения на скорость света и дает расстояние до спутника.

 

Для каждого отслеживаемого спутника приемник теперь знает, где он находился во время передачи (потому что спутник передает эфемериды своей орбиты), и он определил расстояние до спутника, когда он был там. Используя трилатерацию, метод геометрического определения положения объекта, аналогично триангуляции, приемник вычисляет свое местоположение.

Чтобы помочь нам понять смысл трилатерации, мы представим эту технику в двухмерном пространстве. Приемник вычисляет расстояние до спутника A. Как мы уже упоминали, он делает это, измеряя количество времени, которое потребовалось для сигнала от спутника A, чтобы достигнуть антенны приемника, и умножая это время на скорость света. Спутник A сообщил свое местоположение (определенное по эфемеридам спутниковой орбиты и времени) приемнику, поэтому приемник знает, что он находится где-то на круге с радиусом, равным дальности и с центром, заданным положением спутника A, как показано на рис. 19. В трехмерном пространстве нам бы пришлось показывать расстояния в виде сфер, а не кругов.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 19


Приемник также определяет свою дальность до второго спутника, Спутника B. Теперь приемник знает, что он находится на пересечении двух кругов в точках 1 или 2, как показано на рис. 20.


a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 20


Вы можете сделать вывод, что для окончательного определения вашего местоположения в точке 1 или точке 2 потребуется дальность до третьего спутника. Но одна из точек чаще всего может быть исключена как невозможная, потому что, например, она находится в космосе или в центре Земли. У вас также может возникнуть соблазн расширить нашу иллюстрацию до трехмерной и предположить, что для решения задачи позиционирования необходимы только три расстояния. Но, как мы обсуждали ранее, необходимы четыре дальности. Почему? 

Оказывается, часы приемника не так точны, как часы находящиеся на борту спутников. Большинство из них основаны на кристаллах кварца. Помните, мы говорили, что эти часы имеют точность всего точность ± 5 на 10−6. Если мы умножим это на скорость света, получим точность ± 1500 метров. Когда мы определяем дальность до двух спутников, наше вычисленное положение будет отличаться на величину, пропорциональную неточности часов нашего приемника, как показано на рис. 21.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 21


Мы хотим определить нашу фактическую позицию, но, как показано на рис. 21, неточность времени приемника вызывает ошибки дальности, которые приводят к ошибкам местоположения. Получатель знает об ошибке, он просто не знает ее размера. Если мы теперь вычислим расстояние до третьего спутника, он не будет пересекать вычисленное положение, как показано на рис. 22.

Теперь об одном из гениальных приемов, используемых в определении местоположения по ГНСС.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 22


Приемник знает, что причина того, что псевдодальности трех спутников не пересекаются, заключается в том, что его часы не очень хороши. Приемник увеличивает или уменьшает поправку в свои часы до тех пор, пока псевдодальности трех спутников не сойдутся в одной точке, как показано на рис. 23.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 23


Высокая точность спутниковых часов теперь доступна и часам приемника, что и устраняет ошибку часов приемника при определении местоположения. Приемник помимо своего точного положения, знает и очень точное время. Это открывает возможности для широкого круга применений, о чем мы поговорим ниже.

Вышеупомянутый метод показывает, как в двумерном представлении можно устранить ошибки часов приемника и определить положение с использованием дальности до трех спутников. Когда мы расширяем эту технику до трехмерного пространства нам нужно добавить дальность до четвертого спутника. По этой причине для определения местоположения требуется прямая видимость как минимум четырех спутников ГНСС.


Источники ошибок ГНСС

Приемник ГНСС вычисляет местоположение на основе данных, полученных со спутников. Однако существует множество источников ошибок, которые, если их не исправить, приводят к неточности расчета положения. Некоторые из этих ошибок, например, вызванные преломлением спутникового сигнала при его прохождении через ионосферу и тропосферу, вызваны естественными причинами, а некоторые, как например методы избирательной доступности (SA), вводятся специально.

Тип ошибки и способ ее устранения важны для расчета точного положения, поскольку уровень точности полезен только в той степени, в которой измерениям можно доверять. Эта книга посвящает этой важной теме три главы. В главе 4 представлены основные источники ошибок ГНСС, а в главе 5 обсуждаются методы устранения ошибок и их влияние на точность и другие факторы производительности. В главе 8 представлено оборудование и сетевая инфраструктура, необходимые для генерации и приема данных коррекции.

Снижение точности из-за взаиморасположения спутников относительно антенны (DOP)

Геометрическое расположение спутников в том виде, в котором они представлены приемнику, влияет на точность расчетов местоположения и времени. Приемники в идеале должны быть спроектированы для использования сигналов от доступных спутников таким образом, чтобы свести к минимуму это так называемое «снижение точности».

Чтобы проиллюстрировать DOP, рассмотрим пример, показанный на рис. 24, где отслеживаемые спутники сгруппированы в небольшой области неба. Как видите, сложно определить, где пересекаются дальности. Местоположение размывается на область пересечения дальностей, область, которая увеличивается из-за неточностей измерения расстояний (что можно рассматривать как «утолщение» линий).

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 24


Как показано на рис. 25, добавление измерения дальности к спутнику, который отделен от скопления по углу, позволяет нам более точно определить точку.

a6f70cbf4fa3b14feec0eb157c4e1bef.jpg

Рис. 25


Хотя значение DOP рассчитывается с использованием сложных статистических методов, о нем можно сказать следующее: DOP это численное представление геометрии спутника, и оно зависит от местоположения спутников, видимых приемнику.

Чем меньше значение DOP, тем точнее результат вычисления времени или позиции. Отношение показано в следующей формуле:

Неточность измерения положения = значение DOP умноженное на погрешность измерения дальности 

Таким образом, если DOP очень высокий, неточность измерения положения будет намного больше, чем погрешность измерения дальности. 


• DOP можно использовать как основу для выбора спутников, на которых будет основано решение о местоположении; в частности, выбор спутников для минимизации DOP для конкретного приложения. 

• DOP выше 6 приводит к обычно неприемлемой точности для операций DGNSS и RTK. 

• DOP меняется в зависимости от времени суток и географического положения, но для фиксированного положения геометрическое представление спутников повторяется каждый день для ГНСС. 

• DOP можно рассчитать без определения диапазона. Все, что нужно, - это координаты спутников и приблизительное местоположение приемника.


DOP может быть выражен на отдельные элементы, которые определяют DOP для определенного типа измерения, например HDOP (снижение точности по горизонтали), VDOP (снижение точности по вертикали) и PDOP (снижение точности положения). Эти факторы связаны математически. В некоторых случаях, например, когда спутники находятся низко в небе, HDOP является низким, и поэтому можно будет получить хорошее или отличное определение горизонтального положения (широты и долготы), но VDOP может быть достаточным только для определения средней высоты. Точно так же, когда спутники группируются высоко в небе, VDOP лучше, чем HDOP.

В Канаде и других странах на высоких широтах спутники ГНСС находятся ниже в небе, и достижение оптимального DOP для некоторых приложений, особенно там, где требуется хороший VDOP, иногда является проблемой.

В ситуациях, когда доступные спутники расположены низко над горизонтом или сгруппированы под углом, например, при съемке в городских условиях или в глубоких карьерах, могут привести к невозможности выполнения работ пользователем из-за больших значений DOP. Если вы знаете, что ваши работы будут проходить в сложных условия, вы можете использовать инструменты для планирования измерений, чтобы определить наиболее подходящее время с лучшими значениями DOP.


Этап 5 - Использование

После того как учтены ошибки в уравнении ГНСС, приемник может определить свое положение и время и передать эту информацию приложению конечного пользователя. Рынок технологий ГНСС - это всеобъемлющая многомиллиардная отрасль. Области применения варьируются от простых портативных средств навигации с точностью около метра до надежных решений позиционирования на сантиметровом уровне для геодезических работ, беспилотных устройств и решения военных задач. Поскольку пользователям требуются функции определения местоположения ГНСС во все более сложных условиях, технология ГНСС интегрируется с другими датчиками, такими как инерциальная навигационная система, для улучшения возможностей определения местоположения и повышения надежности. Мы рассмотрим различные датчики в главе 6.

По мере того, как приложения становятся более сложными и повсеместными, важность устранения причин сбоев при работе с ГНСС, намеренных или непреднамеренных, увеличивается. В главе 7 обсуждаются причины и методы устранения сбоев ГНСС, вызванные как обычными помехами так и подменой сигнала от спутников (spoofing). В последней главе, Главе 8, мы познакомим вас с некоторыми из самых интересных приложений для клиентов.

Замечания

Это была сложная глава, и мы рады, что вы усердно усвоили основы определения местоположения по ГНСС. В главе 3 представлена дополнительная информация о развернутых или планируемых к запуску созвездиях ГНСС. В главах 4, 5, 6 и 7 обсуждаются передовые концепции ГНСС, а в главе 8 обсуждается оборудование и приложения, а также то, как используются простые результаты этой невероятной технологии.

Материалы взяты с сайта компании NovAtel. Ссылка на первоисточник: https://novatel.com/an-introduction-to-gnss


Нужна помощь специалиста?
Консультации от ведущих инженеров компании
Подробнее