Введение в ГНСС. Глава 5 - Устранение ошибок ГНСС.
Глава 5 - Устранение ошибок ГНСС
Устранение ошибок является основополагающим для работы ГНСС приемника. То, как производитель разрабатывает оборудование, включая электронные и механические компоненты или программное обеспечение, напрямую влияет на эффективность коррекции ошибок.
Чем больше ошибок может устранить приемник, тем более высокую степень точности и надежности он может предложить пользователю. Какой метод исправления ошибок идеальный? На самом деле не существует никакого «лучшего способа», поскольку все зависит от постановки задач конечным пользователем.
Используя ГНСС приемник в своем мобильном телефоне, Вы обнаружите, что поиск нового ресторана не требует такого же уровня производительности, как, например, посадка беспилотного вертолета на движущуюся платформу. Существуют компромиссы между различными методами устранения ошибок в сигналах ГНСС.
Используемые методы зависят от уникальных требований для каждого применения, таких как уровень точности, сложность системы, доступность решения, надежность и стоимость. В главе 2 мы представили основные концепции определения местоположения с использованием ГНСС, в частности, применительно к автономному способу, когда один приемник работает индивидуально для определения своего местоположения и времени.
В этой главе мы представляем методы, с помощью которых приемники ГНСС улучшают характеристики за счет использования более продвинутых решений, которые уменьшают или устраняют ошибки в вычислении координат.
По сути, позиционирование ГНСС начинается с простой математической формулы: Скорость = Расстояние ÷ Время. Следовательно, необходимо учитывать факторы, влияющие или на расстояние до спутника, или время, необходимое для того, чтобы спутниковый сигнал достиг антенны. К счастью, некоторые очень умные люди разработали разные методы устранения ошибок.
В целом их можно описать следующим образом:
A. Моделирование явления, вызывающего ошибку, и прогнозирование значений коррекции.
B. Дифференциальная коррекция (DGNSS).
В этой главе мы рассмотрим ряд методов коррекции, то, как они работают, а также некоторые преимущества и недостатки каждого метода. Но давайте сначала посмотрим на концепции измерений ГНСС (мультисистемных и мультичастотных), кодовых и фазовых, и их влияние на коррекцию ошибок и характеристики вычисления координат.
Мультисистемность и мультичастотность
Мультисистемность
Способность ГНСС приемника обрабатывать несколько частот от нескольких созвездий при вычислении местоположения. Имеет важное значение для оптимального разрешения ошибок.
Мультичастотность
Использование мультичастотных приемников - наиболее эффективный способ устранить ионосферную ошибку из расчета местоположения. Ионосферная ошибка зависит от частоты, поэтому она по-разному влияет на различные сигналы ГНСС.
Мультичастотные приемники обладают большей устойчивостью к помехам. Если есть помехи в полосе частот L2 (1227 МГц), то мультичастотный приемник все равно будет отслеживать сигналы L1 и L5, для обеспечения постоянного позиционирования.
Мультисистемность
Как описано ранее, мультисистемный приемник может принимать сигналы от нескольких созвездий: например, GPS, ГЛОНАСС, BeiDou и Galileo.
Использование других систем в дополнение к GPS приводит к тому, что в «поле зрения» появляется большее количество спутников, что дает следующие преимущества:
-уменьшается время разрешения неоднозначности;
-повышается точность определения местоположения и времени;
-уменьшается влияние многолучевости, вызванной отражением от препятствий, таких как здания и листва;
-улучшается геометрическое распределение видимых спутников, что приводит к повышению точности.
Когда ГНСС приемник использует сигналы от множества созвездий, в конечном решении предусмотрено резервирование. Если сигнал блокируется из-за влияния окружающей среды, существует очень высокая вероятность того, что приемник может просто принять сигнал от другой системы ГНСС и обеспечить непрерывность решения. Хотя это бывает крайне редко, в случае отказа одной системы ГНСС доступны другие системы.
Чтобы определить положение в режиме использования только GPS, приемник должен отслеживать как минимум четыре спутника. В режиме работы с несколькими созвездиями приемник должен отслеживать пять спутников, по крайней мере один из которых, должен быть от спутника другой системы, для того, чтобы приемник мог определить временной сдвиг между созвездиями.
ГНСС измерения: псевдодальность и фаза несущей
Метод определения местоположения, описанный в главе 2, называется кодовым методом, потому что приемник находит корреляцию кодов псевдослучайного шума (PRN), передаваемыми четырьмя или более спутниками, и использует их для определения своего местоположения и времени. В результате точность позиционирования составляет несколько метров.
Для некоторых приложений, например для геодезической съемки, требуется более высокая точность. Были разработаны методы на основе передачи поправок по дополнительному каналу связи, такие как кинематика в реальном времени (RTK) и система точного позиционирования (PPP), которые могут обеспечивать точность координат на несколько порядков точнее, чем ГНСС измерения на основе кода.
A. Фазовая модуляция несущей волны с использованием кода PRN применяется для разделения спутниковых сигналов и предоставления информации о синхронизации для измерений дальности. См. обозначение А на рисунке 40.
B. Измерения, основанные на модуляции PRN, однозначны, но точность ограничена субметрами. См. обозначение B на рисунке 40.
C. Несущая волна для сигнала ГНСС представляет собой синусоидальную волну с периодом менее одного метра (19 см для L1), что позволяет проводить более точные измерения. См. обозначение С на рисунке 40.
D. Измерения фазы несущей волны могут быть выполнены с точностью до миллиметра, но измерение неоднозначно, поскольку общее количество циклов между спутником и приемником априори неизвестно. См. обозначение D на рисунке 40.
Разрешение или оценка неоднозначности фазы несущей является ключом к достижению точного позиционирования с помощью RTK или PPP.
В двух методах используются разные способы достижения этой цели, но в обоих используются:
• псевдодальности (на основе кодовых измерений) для предварительной оценки местоположения;
• устранение ошибок позиционирования с помощью относительного позиционирования или данных коррекции;
• множественные наблюдения спутникового сигнала для поиска условий разрешения неоднозначности, которые лучше всего подходят для данных измерений.
Следовательно, метод, используемый приемником для измерений на основе кода или фазы несущей, влияет на результаты позиционирования.
Рис. 40
Дифференциальные методы ГНСС
Обычно используемый метод улучшения ГНСС определений - это дифференциальная коррекция, которая проиллюстрирована на рис 41.
В дифференциальном методе ГНСС положение фиксированного приемника, называемого базовой станцией, определяется с высокой степенью точности с использованием традиционных методов съемки.
Затем базовая станция определяет дальность до видимых спутников ГНСС, используя:
-методику позиционирования на основе кода, описанную в главе 2;
-местоположение спутников, определяемое по точно известным эфемеридам орбиты и спутниковому времени.
Базовая станция сравнивает свое положение, полученное на основе традиционных методов съемки с положением, вычисленным на основе расстояний до спутников. Различия между положениями могут быть связаны с ошибками спутниковых эфемерид и часов, но в основном с ошибками, связанными с атмосферной задержкой.
Базовая станция передает эти ошибки другим, перемещаемым, приемникам (роверам), которые включают поправки в расчеты своего местоположения.
Рис. 41
Для метода дифференциального позиционирования требуется канал передачи данных между базовой станцией и роверами, если поправки необходимо вносить в реальном времени, и наличие как минимум четырех спутников ГНСС в поле зрения, как на базовой станции, так и на роверах. Абсолютная точность вычисленного положения ровера будет зависеть от абсолютной точности координат базовой станции.
Поскольку спутники ГНСС вращаются высоко над Землей, пути распространения сигналов от спутников к базовым станциям и роверам проходят в одинаковых атмосферных условиях, только если базовая станция и роверы расположены не слишком далеко друг от друга. Дифференциальные методы ГНСС очень хорошо работают на расстояниях между базовыми станциями и роверами до нескольких десятков километров.
Спутниковые системы дополнения ГНСС
Для задач, в которых стоимость дифференциальных методов ГНСС не оправдана или если подвижные приемники разбросаны по слишком большой территории, спутниковая система дополнения (SBAS) может быть более подходящей для повышения точности определения местоположения.
Системы SBAS - это геосинхронные спутниковые системы, которые предоставляют услуги по повышению точности, целостности и доступности основных сигналов ГНСС.
• Точность повышается за счет передачи глобальных поправок для коррекции измеренных дальностей до спутников ГНСС.
• Целостность повышается за счет того, что сеть SBAS быстро обнаруживает ошибки спутникового сигнала и отправляет приемникам предупреждения о том, что они не должны отслеживать отказавший спутник.
• Доступность сигнала может быть улучшена, если SBAS передает сигналы дальности со своих спутников.
Системы SBAS включают опорные станции, главные станции, станции обеспечения линии связи с геостационарными спутниками и сами спутники, как показано на рис 42.
Рис. 42
Базовые станции, которые географически распределены по всей зоне обслуживания SBAS, принимают сигналы ГНСС и передают их на главную станцию. Поскольку местоположения опорных станций точно известны, главная станция может рассчитать поправки на большую территорию.
Поправки передаются на спутник SBAS, а затем передаются на приемники ГНСС по всей зоне покрытия SBAS.
Пользовательское оборудование получает поправки и применяет их для расчета дальностей.
В следующих разделах представлен обзор некоторых сервисов SBAS, которые были реализованы по всему миру или планируются.
Система расширенной зоны охвата (WAAS)
Федеральное управление гражданской авиации США (FAA) разработало Систему расширенной зоны охвата (WAAS) для обеспечения поправками GPS и сертифицированного уровня целостности авиационной отрасли, чтобы позволить самолетам выполнять точные заходы на посадку в аэропортах. Поправки также доступны для гражданских пользователей в Северной Америке бесплатно.
Глобальная главная станция (WMS) принимает данные GPS от глобальных опорных станций (WRS), расположенных по всей территории США. WMS вычисляет дифференциальные поправки, а затем передает их по линии связи на два геостационарных спутника WAAS для трансляции на территории Соединенных Штатов.
Отдельные поправки рассчитываются для ионосферной задержки, синхронизации бортовых часов и спутниковых орбит, что позволяет, при необходимости, учитывать их по отдельности в пользовательском приложении.
WAAS передает данные поправок на той же частоте, что и GPS. Это позволяет использовать для приема данных тот же приемник и антенное оборудование. Для получения данных коррекции пользовательское оборудование должно находиться в зоне прямой видимости одного из спутников WAAS.
Европейская геостационарная навигационная служба (EGNOS)
Система EGNOS охватывает территории стран Европы и Северной Африки. EGNOS передает данные дифференциальной коррекции для общего пользования странам-членам Евросоюза, Норвегии и Швеции, а также сертифицирован для применения в качестве системы спасения для регионов, обслуживаемых службами информационными обеспечения полетов гражданской авиации (ECAC).
В перспективе система EGNOS будет поддерживать передачу коррекции для навигационных сигналов группировки Galileo.
Три спутника EGNOS охватывают территории стран - членов Европейского Союза и несколько других стран Европы. EGNOS передает данные дифференциальной коррекции для общего пользования и сертифицирован для применения в сфере для обеспечения безопасности жизни. Спутники EGNOS также были размещены над восточной частью Атлантического океана, Индийским океаном и средней частью африканского континента.
Спутниковая система дополняющих сервисов BeiDou (BDSBAS)
Система BDSBAS – расширение ГНСС системы BeiDou. Она предоставляет сервисы повышения точности и целостности потребителям в Китае и на окружающей территории.
Спутниковая навигационная система MTSAT (MSAS)
MSAS — это вариант системы SBAS, который предоставляет сервис повышенной точности позиционирования в Японии. Он использует два многофункциональных спутника (MTSAT) и сеть наземных станций для усиления сигналов GPS в Японии.
Система расширенной геонавигации с поддержкой GPS (GAGAN)
GAGAN - это вариант системы SBAS, которая поддерживает навигацию в воздушном пространстве Индии. Система основана на трех геостационарных спутниках, 15-ти опорных станциях, установленных по всей Индии, трех станциях линии связи и двух центрах управления. GAGAN совместим с другими системами SBAS, такими как WAAS, EGNOS и MSAS.
Система дифференциальной коррекции и мониторинга (СДКМ)
Российская Федерация разрабатывает СДКМ для обеспечения на территории России сервисов повышенной точности и мониторинга целостности для систем навигации ГЛОНАСС и GPS. СДКМ также планирует предоставлять услуги точного позиционирования (PPP) для L1 / L3 ГЛОНАСС.
Другие системы SBAS
Корейская спутниковая дополняющая навигационная система (KASS) – это вариант SBAS, разрабатываемый в Южной Корее.
The Solución de Aumentación para Caribe, Centro y Sudamérica (SACCSA) – система, которую планируют развернуть в интересах стран Южной и Центральной Америки и Карибского бассейна.
Система A-SBAS для предоставления услуг навигации в Африке и Индоокеанском регионе.
Южная спутниковая дополняющая система позиционирования (Southern Positioning Augmentation System, SouthPAN) – вариант SBAS, разрабатываемый для Австралии и Новой Зеландии.
Наземная система дополнения (GBAS)
Наземная система дополнения (GBAS) обеспечивает передачу дифференциальных поправок и мониторинг целостности данных спутников для приемников, использующих УКВ радиоканал. Также известная как система локального расширения (LAAS), GBAS состоит из нескольких антенн ГНСС, размещенных в известных местах, центральной системы управления и УКВ радиопередатчика.
GBAS охватывает относительно небольшую территорию (по стандартам ГНСС) и используется для приложений, требующих высокого уровня точности, доступности и целостности. Аэропорты являются примером приложения GBAS.
Кинематика в реальном времени (RTK)
Метод позиционирования, описанный в главе 2, называется позиционированием на основе кодовых измерений, потому что приемник находит корреляцию для псевдослучайных кодов, передаваемых четырьмя или более спутниками, и использует их для определения дальности до них. Из величин этих расстояний и зная, где находятся спутники, приемник может определить свое положение с точностью до нескольких метров.
Что такое RTK (кинематика в реальном времени)?
RTK расшифровывается как «кинематика в реальном времени» и представляет собой метод, который использует измерения на основе фазы несущей и получает дальности (и, следовательно, координаты), которые на несколько порядков точнее, чем те, которые доступны при позиционировании на основе кода. Методы RTK сложны. Основная концепция заключается в уменьшении и устранении ошибок, общих для пары базовой станции и ровера, как показано на рис. 43.
Рис. 43
Точность RTK GPS: Что такое точность RTK?
RTK используется для приложений, требующих более высокой точности, например определение координат с сантиметровой точностью, т.е. до 1 см + 1 ppm (мм/км).
Расчет дальностей
На базовом концептуальном уровне дальность вычисляется путем определения количества циклов несущей между спутником и подвижной станцией, а затем умножения этого числа на длину волны несущей.
Вычисленные диапазоны по-прежнему включают ошибки от таких источников, как спутниковые часы и эфемериды, а также ионосферные и тропосферные задержки. Чтобы устранить эти ошибки и воспользоваться преимуществами точности измерений на основе несущей, для работы RTK требуется, чтобы измерения передавались с базовой станции на станцию подвижного приемника.
Для определения количества полных циклов необходим сложный процесс, называемый «разрешением неоднозначности». Несмотря на сложность процесса, высокоточные ГНСС приемники могут почти мгновенно разрешить неоднозначности. Краткое описание неоднозначностей см. в разделе «ГНСС измерения» ранее в этой главе.
Подвижные приемники определяют свое местоположение с помощью алгоритмов, включающих разрешение неоднозначности и дифференциальную коррекцию. Как и в случае DGNSS, точность определения местоположения, достигаемая ровером, зависит, среди прочего, от его расстояния от базовой станции (называемого «базовой линией») и точности дифференциальных поправок. Поправки так же точны, как известное местоположение базовой станции и качество спутниковых наблюдений базовой станции. Выбор площадки важен для минимизации воздействия окружающей среды, помех и многолучевости, а также качества базовой станции, приемников и антенн подвижного приемника.
Сетевое RTK
Сетевое RTK основано на использовании нескольких далеко разнесенных постоянных базовых станций. В зависимости от реализации данные о местоположении с постоянных станций регулярно передаются на центральную станцию обработки.
По запросу от пользовательских терминалов RTK, которые передают свое приблизительное местоположение на центральную станцию, центральная станция вычисляет и передает информацию о коррекции или скорректированное местоположение на пользовательский терминал RTK.
Преимущество этого подхода - общее сокращение количества необходимых базовых станций RTK. В зависимости от реализации данные могут передаваться по сотовой радиосвязи или другому беспроводному каналу.
Система точного позиционирования (PPP)
Что такое точное позиционирование (PPP)?
PPP - это метод определения местоположения, который удаляет или моделирует системные ошибки ГНСС для обеспечения высокого уровня точности определения местоположения одиночного приемника. Решение PPP зависит от поправок в бортовые часы ГНСС и поправок для параметров орбиты, генерируемых сетью глобальных опорных станций.
После расчета поправок они доставляются конечному пользователю через спутник или через Интернет. Эти поправки используются приемником, обеспечивая субдециметровый уровень точности без необходимости использования базовой станции.
Какова точность PPP?
PPP обеспечивает точность до 2-3 сантиметров. Типичное решение PPP требует значительного периода времени для достижения субдециметровой точности, чтобы устранить любые локальные отклонения, вызванные иными атмосферными условиями, многолучевостью сигнала и геометрического расположения спутников. Фактически достигаемая точность и необходимое время сходимости решения зависят от качества поправок и того, как они используются в приемнике.
Похожая по структуре на систему SBAS, система PPP предоставляет поправки приемнику для повышения точности определения местоположения. Однако системы PPP обычно обеспечивают более высокий уровень точности и взимают плату за доступ к поправкам. Системы PPP также позволяют использовать единый поток поправок во всем мире, в то время как системы SBAS являются региональными. Типичная система PPP показана на рис. 44.
Рис. 44
Устранение основных источников ошибок для PPP
Влияние источников ошибок на PPP минимизируется моделированием, оценкой и применением внешних коррекций.
Моделирование
Некоторые факторы могут быть спрогнозированы и смоделированы применением широко распространенных научных моделей. Факторы, влияние которых может быть успешно смоделировано, включают модель приливов, сдвиги тектонических плит, сдвиг фазы из-за смещения антенн и сухую компоненту тропосферной задержки. Влажная компонента тропосферной задержки — к примеру, местные показатели влажности — также могут быть смоделированы, но, поскольку этот параметр весьма сильно варьируется, также необходимо оценить погрешность моделирования.
Оценка
Неизвестные компоненты системы оцениваются с применением традиционных подходов. В дополнение к оценке точности позиции приемника, следует оценить погрешности получения множества параметров, таких как ионосферная задержка, невязки из-за тропосферной задержки, шумы приемника и неоднозначности фазы несущей.
Применение внешних коррекций
Сервисы PPP предоставляют доступ к коррекциям часов спутников, эфемерид и ошибкам. В некоторых регионах атмосферные поправки также могут быть включены в поток корректирующей информации. Как правило, поправки передаются через спутник или по подключению к сети Интернет. Провайдеры услуг PPP управляют сетью наземных референцных станций для формирования по полученным с них данным поправок для различных сигналов, передаваемых каждым спутником. Рассчитанные поправки транслируются с геостационарных спутников на приемники потребителей по подписке.
Постобработка данных ГНСС
Для многих приложений, таких как аэрофотосъемка, исправленные положения ГНСС в реальном времени не требуются. Для этих приложений необработанные спутниковые измерения собираются и сохраняются для последующей обработки после окончания полевых работ. В отличие от определения местоположения методами RTK, пост-обработка не требует передачи сообщений дифференциальной коррекции в реальном времени. Это значительно упрощает конфигурацию оборудования.
Во время постобработки можно использовать данные базовой станции от одного или нескольких ГНСС приемников. Совместная обработка помогает сохранить высокую точность на больших участках проекта, что является обычным явлением для авиационных приложений. В зависимости от близости проекта к постоянно действующей сети ГНСС данные базовых станций часто могут быть загружены бесплатно, что избавляет от необходимости устанавливать собственные базовые приемники. Более того, можно обрабатывать данные без каких-либо базовых станций посредством PPP, который использует загруженные данные точных часов и эфемерид.
Приложения для постобработки предлагают большую гибкость. Они могут включать стационарные или движущиеся базовые станции, а некоторые поддерживают интеграцию с программными модулями заказчика или сторонних производителей. Приложения для постобработки могут быть разработаны для работы на персональных компьютерах, доступных через простые в использовании графические пользовательские интерфейсы.
В примере, показанном на рис. 45, маршрут, пройденный транспортным средством, показан в левой части экрана, а измерения, записанные во время работы, такие как скорость, разделенные на горизонтальные и вертикальные компоненты, показаны в правой части.
Постобработка обычно приводит к более точному и всеобъемлющему решению, чем это возможно в режиме реального времени.
Рис. 45
Какой метод коррекции лучше?
Как обсуждалось в начале этой главы, не существует лучшего метода коррекции ГНСС, а есть только тот метод, который лучше всего подходит для предполагаемого применения. На рис. 46 сравниваются точность и практический диапазон использования каждого из методов, обсуждаемых в этой главе. В следующих разделах сравниваются методы коррекции.
Рис. 46
DGNSS против RTK
Конфигурация дифференциальных систем ГНСС (DGNSS) и RTK схожа в том, что оба метода требуют установки приемника базовой станции в точке с известными координатами, подвижного приемника, который получает поправки от базовой станции, и канала связи между двумя приемниками. Разница в том, что RTK (метод измерения фазы несущей) значительно более точен, чем DGNSS (метод измерений на основе кода).
Преимущество DGNSS состоит в том, что он полезен на более длинной базовой линии (расстояние между базовой станцией и подвижным приемником), и система DGNSS менее дорога. Технологии, необходимые для достижения более высокой точности работы RTK, делают стоимость приемника с поддержкой RTK выше, чем стоимость приемника, поддерживающего только DGNSS.
SBAS против PPP
Система SBAS и система PPP похожи в том, что обе системы получают поправки через спутниковые каналы. Однако система PPP значительно точнее, чем система SBAS. Одной из причин повышенной точности является метод коррекции. Системы PPP используют метод измерения фазы несущей, а системы SBAS используют кодовый. Другая причина заключается в том, что услуги коррекции, обычно предлагаемые системами PPP на коммерческой основе, обеспечивают поправки более высокого качества и являются методами мультичастотными и многоканальными.
Преимущество систем SBAS заключается в том, что услуги коррекции бесплатны для всех. Хотя частные службы поправок обеспечивают более высокое качество коррекции и доступны во всем мире, для доступа к сигналам требуется платная подписка. Кроме того, поскольку SBAS - это метод, основанный на кодовых измерениях, нет никаких неоднозначностей, которые необходимо разрешить, и полная точность SBAS доступна почти сразу. Системам PPP требуется некоторое время для схождения (разрешения неоднозначности), прежде чем станет доступна полная точность.
DGNSS против SBAS
Хотя точность DGNSS и SBAS одинакова, оборудование, необходимое для систем, отличается.
Для системы SBAS требуется только приемник с функцией SBAS и антенна ГНСС. Система DGNSS требует приемника и антенны базовой станции, приемника и антенны подвижного приемника, а также канала связи между базовой станцией и подвижным приемником. Кроме того, DGNSS требует дополнительной настройки системы, поскольку базовая станция должна находиться в точке с известными координатами.
RTK против PPP
Подобно DGNSS и SBAS, RTK и PPP предлагают схожую точность, но необходимое оборудование и настройки различаются.
Система RTK предлагает более высокую точность и быструю инициализацию, но ее сложнее и дороже настроить. Для системы RTK требуются как минимум два приемника с поддержкой RTK (одна базовая станция и один или несколько подвижных приемников), антенна ГНСС для каждого приемника и канал связи между приемниками. Кроме того, для достижения высокого уровня точности базовая станция должна быть очень точно установлена в точке с известными координатами.
Система PPP имеет более простую конфигурацию; один приемник, совместимый с PPP, антенна, способная принимать частоты ГНСС и L-диапазон, и подписка от поставщика услуг коррекции. Однако PPP имеет несколько меньшую точность и большее время начальной сходимости.
Еще одним отличительным признаком является расстояние до базовой станции. Расстояние между базовой станцией и ровером (длина базовой линии) в системе RTK напрямую влияет на точность системы. При небольшой длине базовой линии, в несколько километров, RTK очень точен. Однако по мере увеличения длины базовой линии точность и возможность решения снижается. При большой длине базовой линии использование RTK невозможно. Поскольку PPP не использует базовую станцию, на него не влияет длина базовой линии, и он может обеспечить полную точность в любой точке мира.
Заключение
В этой главе описаны некоторые сложные принципы использования ГНСС. Если Вы хотите узнать больше, обратитесь к специалистам нашей компании.
Материалы взяты с сайта компании NovAtel. Ссылка на первоисточник: https://novatel.com/an-introduction-to-gnss