CC BY
120
УЦК 629.78
И. Н. Карцан
МЕТОД ИСКЛЮЧЕНИЯ ОШИБОК ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПРИ ОДНОВРЕМЕННОМ ИСПОЛЬЗОВАНИИ НАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ
Рассматриваются ошибки способа максимально точного определения месторасположения объекта при использовании навигационных систем GPS-NAVSTAR (США), ГЛОНАСС (Россия), Galileo (Европейский Союз), IRNSS (Индия), QZSS (Япония).
Спутниковая навигация, пожалуй, лучший подарок, который военный специалист может сделать гражданским лицам. Чтобы гражданский человек без запинки мог сказать, где он находится, или сказать который час - не по своим отстающим часам, а по спутниковым, сверхточным.
Тема спутниковой навигации, конечно, не сводится к одной лишь известной GPS (Global Positioning System). Первая спутниковая навигационная система вооруженных сил США называлась TRANSIT. Но уже в начале семидесятых ее способность определять координаты сочли низкой. Тогда была разработана новая сетка, Navigation Satellite providing Time And Range(NAVSTAR), что переводится как «Навигационная спутниковая система, обеспечивающая измерение времени и расстояния. Часто систему называют двойным именем «GPS-NAVSTAR» -«Глобальная система позиционирования».
Помимо этой американской системы, есть русский ГЛОНАСС, европейский Galileo и ряд других навигационных систем различных стран. В свете распространенного заблуждения многие думают, что, включив навигационное устройство, человек связывается со спутником, и, поймав сигнал, умный спутник вычисляет наши координаты. Но на самом деле спутник всего лишь играет роль расчетной, опорной точки. Точно так же по береговому маяку капитан может определить местонахождение корабля. Однако предположение капитана приблизительно. Глаз не определит, на каком удалении находится источник света. Навигационный приемник куда точнее, поскольку рассчитывает расстояние до спутника. При этом, согласно закону нашего трехмерного мира, для вычисления координаты точки на земной плоскости достаточно измерить ее расстояние до двух других точек, чьи координаты известны. Но поскольку спутниковый радиосиг-
нал идет издалека (высота орбиты около 18 тыс. км), для достоверности нужны, минимум, три спутника. Чем больше ориентиров мы поймаем, тем точнее будут наши координаты. А чтобы узнать еще и высоту нахождения, например, в горах, потребуется уже четыре спутника.
В настоящее время существует ряд потребителей, которые предъявляют повышенные требования к достоверности и скорости определения координат с использованием спутниковых навигационных систем.
Навигационная спутниковая система GPS при отсутствии селективного доступа позволяет определить горизонтальное положение потребителя с точностью до 20 м, а система ГЛОНАСС - до 60 м [1-4]. Используя спутниковые системы, потребитель проводит дальномерные и доплеровские измерения до навигационных спутников (рис. 1). Однако существующие ошибки в некоторых случаях не устраивают потребителя.
Это объясняется влиянием на измерения различного рода ошибок. Можно выделить следующие категории ошибок: ошибка системы; ошибки, связанные с распространением навигационного сигнала; ошибки приемной аппаратуры (рис. 2).
Ошибки системы связаны точностью атомных часов спутников и соответствием реальной траектории спутников заданной орбите. Несмотря на то, что в каждом спутнике используются высокоточные атомные часы, они тоже могут содержать ошибки и отклоняться от истинного значения системного эталона времени. Отклонение в 30 нс ведет к ошибке определения расстояния в 10 метров. Поэтому все отклонения бортовых часов отслеживаются и их значения передаются в составе навигационных сообщений и учитываются приемником в вычислениях позиции.
Рис. 1. Определение координат наземного потребителя при помощи навигационных спутников
Второй тип системных ошибок связан с неточностью передаваемых эфемерид. В математической модели учитываются множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит спутников, но небольшие ошибки все равно присутствуют
Наиболее существенный вклад в навигационные измерения вносят ошибки, связанные с распространением сигнала в атмосфере Земли, а именно в ионосферных и тропосферных ее слоях (рис. 3). Ионосфера Земли представляет собой слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скорость распространения сигнала и, следовательно, увеличивают его время. Соответственно вносится ошибка в оценку расстояния от приемника до спутника. Эти задержки могут быть смоделированы для разного времени суток, усреднены и внесены в измерения, но, к сожалению, эти модели не могут точно отобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя, навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором происходят все погодные явления и присутствуют водяные пары, также влияющее на скорость распространения сигнала. Для борьбы с ионосферными задержками используют дифференциальные метод определения позиции. Корректирующие поправки передаются с помощью геостационарных спутников и позволяют повысить точность позиционирования до 1 метра.
Листва деревьев, особенно после дождя, существенно ослабляет уровень принимаемого приемником навигационного сигнала.
Ошибки многолучевости можно одновременно отнести и к категории ошибок, связанных с распространением навигационного сигнала, и к ошибкам приемника (рис. 4). Ошибка многолучевости связана с переотражением навигационного сигнала от близкорасположенных объектов - зданий, металлических конструкций, деревьев и т. п. В результате этого эффекта время распространения отраженного сигнала превышает время «прямого» сигнала. Если уровень переот-раженного сигнала выше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и в результате, вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.
Ошибка приемной аппаратуры связана с «шумами», возникающими в радио-части GPS навигатора. Эти ошибки во многом определяются качеством используемой элементной базы GPS приемников.
Вследствие использования приемника, обрабатывающего сигнал от одной навигационной системы, невозможно определить, какую величину ошибки внесли владельцы данной навигационной системы. Во время войны в Ираке в систему GPS была введена ошибка для увода ракет противника. В это время все приемники GPS, использовавших данную навигационную систему определяли местоположения с большой и неизвестной ошибкой, что приводило к ряду серьезных автомобильных аварий. Во избежание ошибок навигационных систем необходим приемник, позволяющий исключить анализирующий сигнал от нескольких навигационных систем. Данный метод заключается в сравнивании каждого полученного сигнала. Если его значение больше значения максимальной ошибки навигаци-
Рис. 2. Ошибки, влияющие на точность измерения 102
онной системы, то происходит попарное сравнение, и исключается та система, которая при усредненном значении дает наибольшую ошибку.
Библиографический список
1. Харисов, В. Н. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / В. Н. Харисов, А. И. Пе-ров, В. А. Болдин. М. : ИПРЖР, 1999.
2. Шебшаевич, В. С. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В. С. Шебшаевич, П. П. Дмитриев,
Н. В. Иванцевич и др. М. : Радио и связь, 1982.
3. Global Positioning System: Theory and Applications, Volume I, II. / ed. by Parkinson B. W., Spilker J. J. Washington : AIAA, 1996.
4. Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification / U.S. Department of Defense. Washington, 1995.
5. GPS/GLONASS Satellite Simulator, Spirent Communications Global Simulation Systems. [Электронный ресурс]. Электрон. дан. Режим доступа : http:// www.gssl.co.uk (10.04.03). Загл. с экрана.
Рис. 3. Ошибки, связанные с распространением сигнала в атмосфере.
Рис. 4. Ошибка многолучевости
I. N. Kartsan
THE EXCEPTIONS MISTAKES METHOD OF POSITION DETERMINATION WHEN NAVIGATION SYSTEMS AT THE SAME TIME ARE USED
The mistakes of determination of position of such navigation systems like GPS-NAVSTAR (USA), GLONASS (Russia), GALILEO (European Union), IRNSS (India), QZSS (Japan) and the method of determination ofposition of the object with the most accuracy are considered. And also the method of determination in which of navigation systems the measuring mistake of determination of position was included specially.
