Качество геометрии спутников

Введение

Оборудование спутниковой навигации нашло широкое применение и рассматривается в качестве штатного для морских и воздушных судов, причём даже не самого высокого класса, космических аппаратов. Поразительное распространение получило использование спутниковой аппаратуры для автомобильной навигации. К 2000 году удельный вес общей стоимости таких устройств на европейском рынке по оценке фирмы Thales составил 73%, тогда как доли авиации и морского флота не превысили 5 и 4% соответственно. Оно стало привычным средством в землеустройстве, при мониторинге, съёмках местности и геодезических работах. Выпуск сравнительно не дорогой потребительской аппаратуры обусловил начало её вхождения в наш быт, спорт, туризм и путешествия.

На степень точности вычисления координат влияет ряд факторов, зависящих от процедуры их определения. Их принято называть факторами снижения точности. В данном реферате будут рассмотрены основные факторы, влияющие на точность спутниковых измерений.

Факторы, влияющие на точность спутниковых измерений

В системах глобального позиционирования, точность определения местонахождения объекта зависит от степени погрешности, возникающей при измерении расстояний от терминала до спутников. От степени влияния целого ряда факторов зависит, насколько точно будет определено местоположение приемника, будет эта погрешность составлять один метр или десяток, а то и сотню метров.

Рис. 1. Спутник «Navstar-GPS».

К факторам, оказывающим непосредственное влияние на степень погрешности, можно отнести следующие:

· Специальная погрешность (SA);

· Качество геометрии спутников;

· Гравитационные влияния;

· Влияния ионосферы;

· Влияния тропосферы;

· Отражения сигналов;

· Относительность измерения времени;

· Округление и вычислительные ошибки

Специальная погрешность

Данный фактор представляет собой искусственную погрешность, намеренное искажение времени сигнала, посылаемого спутником, в результате чего точность определения местоположения объекта прибором GPS снижалась до 50-150 метров. Погрешность искусственно вносилась в сигналы спутников в соответствии с требованиями режима SA - selective availability (селективного доступа), задачей которого было ограничить точность измерений для гражданских GPS-приемников [1]. В режиме SA формируются ошибки искусственного происхождения, вносимые в сигнал на борту GPS-спутников с целью огрубления навигационных измерений. Такими ошибками являются неверные данные об орбите спутника и искажения показаний его часов за счет внесения добавочного псевдослучайного сигнала. Величина среднеквадратического отклонения из-за влияния этого фактора составляет, примерно, 30 м [2].

Причина создания «специальной погрешности» заключалась в обеспечении государственной безопасности США. В момент организации и развития система глобального позиционирования GPS являлась исключительно военной разработкой, призванной обеспечить потребности силовых структур. Лишь с течением времени навигационная система получила коммерческое применение, возможность определять местоположение появилась и у гражданских лиц. Помимо исключительно мирных целей, система позиционирования могла быть использована для различных злонамеренных действий, которые представляли бы прямую угрозу для безопасности. Так, террористические организации получили бы возможность использовать GPS для определения местонахождения стратегических объектов и точного наведения дистанционного оружия.

Режим селективного доступа все-таки был отключен вследствие широкой распространенности системы глобального позиционирования, произошло это в мае 2000 года, и решение об этом принял лично президент США. Событие стало ключевым в истории развития GPS-навигации, еще бы – ведь с этого момента для частных коммерческих предприятий и простых граждан открылись новые горизонты использования системы точного определения координат. С момента отключения режима SA точность показаний приборов повысилась с 50-100 метров до 6-7 метров. Предпосылкой к полному отключению послужило частичное отключение, предпринятое в 1990 году, во время войны в Персидском заливе. Тогда армии США не хватало собственных штатных приемников, позволявших ориентироваться в пустыне, и было закуплено порядка 10 тыс. единиц навигаторов «гражданского» предназначения.

Рис. 2. Величина ошибки до и после отключения режима SA.

Рис. 3. Точность определения координат с включенным режимом SA	Рис. 4. Точность определения координат после отключения режима SA

Качество геометрии спутников

Очередным фактором, влияющим на точность показаний приемника, является качество геометрии спутников – характер взаимного расположения спутников относительно приемника. Точность определения местоположения напрямую зависит от количества спутников в «зоне видимости» прибора, а также от того, как эти спутники распределены на небосводе. Все расчеты построены не столько на определении расстояния как такового, но и на пересечении прямых, образованных расстояниями от приемника до каждого из видимых спутников. Именно эти пересечения формируют зону вероятного нахождения объекта, и чем обширнее зона, тем ниже точность определения.

Рис. 5. Взаимное расположение спутников относительно приемника

Оптимальным вариантом измерения считается соотношение расстояний от терминала до четырех спутников одновременно, для создания подобных условий в любой точке земного шара по орбите Земли кружат 28 спутников [3]. Спутники равномерно распределены по орбите на высоте ~ 20 тыс. км. Для высокой точности измерений необходимо, чтобы спутники, находясь в пределах видимости прибора, были разнесены на максимально возможное расстояние. Если же все четыре спутника будут расположены, к примеру, только на северо-западе относительно прибора, не исключен вариант, что определить местоположение будет невозможно, либо точность определения будет неудовлетворительной (100 – 150 м.). Область вероятного расположения прибора (пересечения прямых) будет весьма значительной, что негативно отразится на точности.

Рис. 6. Спутники ГЛОНАСС и GPS относительно Земли

Особенно важным качество геометрии спутников является при расположении приемника в местности, где спутники могут быть заслонены естественными или искусственными преградами. Это могут быть горы, ущелья, высотные здания, в такой местности важно количество спутников, которые прибор может засечь одновременно, чем меньше спутников оказывается в пределах видимости, тем ниже точность определения местоположения [4]. В то время как один или несколько спутников остаются скрытыми, или же сигнал какого-либо из спутников заблокирован, система предпринимает попытки определить положение с помощью остальных спутников.

Существует система оценки качества геометрии спутников, которая используется производителями навигационных приборов и которая характеризует уровень потери точности непосредственно из-за расположения спутников. Показатель DOP (Delution of Precision — понижение точности), учитывает количество видимых спутников в определенный момент времени и расположение спутников относительно друг друга.

Помимо универсального показателя DOP применяются его модификации:

· Геометрический фактор снижения точности (GDOP) определяет степень влияния погрешностей псевдодальности (характеризующей меру удаленности пользователя от спутника) на точность вычисления координат. Зависит от положения спутника относительно приемника и от смещения показания часов. Различие значений псевдодальности и фактической дальности связано со смещением показаний часов спутника и потребителя, с задержками распространения и другими ошибками.

· Горизонтальный фактор снижения точности (HDOP) показывает степень влияния точности определения горизонтали на погрешность вычисления координат.

· Фактор снижения точности определения положения (PDOP) — это безразмерный показатель, описывающий, как погрешность псевдодальности влияет на точность определения координат.

· Относительный фактор снижения точности (RDOP), по сути, равен фактору снижения точности, нормализованному на период 60 с.

· Временной фактор снижения точности (TDOP) описывает степень влияния погрешности показаний часов на точность определения координат.

· Вертикальный фактор снижения точности (VDOP) показывает степень влияния погрешности в вертикальной плоскости на точность определения координат.

Пользователями приборов используется общее правило – чем выше значения показателей DOP, тем ниже точность определения.

Рис. 7. Составляющие показателя DOP

Кроме того, на качество геометрии спутников влияет широта, на которой находится приемник, а также близость к одному из полюсов Земли (влияние атмосферы).

Гравитационные влияния

Движение спутников, обеспечивающих работу системы, по своим орбитам является достаточно стабильным, однако все же случаются некоторые отклонения. Причиной этих отклонений является гравитационное поле космических объектов – Солнца и Луны. Для преодоления подобных влияний данные о текущей орбите непрерывно корректируются и отправляются к приемникам уже в обработанном виде. Но, несмотря на принятые меры, гравитационные влияния все же приводят к погрешностям в измерении местоположения, такие погрешности могут приводить к потере точности определения до 2 метров.

Влияния ионосферы

Фактором, который имеет существенное влияние на точность вычислений, является разница в скорости прохождении сигнала от спутника в космосе и разных слоях атмосферы. Так, если в открытом космосе скорость сигнала равняется скорости света, то в тропосфере, а также в ионосфере эта скорость является более низкой.

На высоте от 80 до 100 км от Земли в результате воздействия энергии Солнца сконцентрировано значительное количество положительно заряженных ионов. В слоях ионосферы сигналы от спутников, представляющие собой электромагнитные волны, преломляются, за счет чего увеличивается время их прохождения через эти слои. Для преодоления влияния этого фактора используются корректирующие вычисления, проводимые самим приемником, поскольку возможные скорости прохождения сигнала через различные слои ионосферы достаточно хорошо изучены.

Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состояние плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.

В связи с этим, модель, способная обеспечить высокую точность описания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реального времени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы. Данные, которые могут быть использованы в такого рода подходе должны быть доступны и актуальны и, кроме всего прочего, оперативно обновляемы. Эти данные доступны и обновляются в нескольких архивах, таких, как, например, архив SOPAC[5]. На данный момент в мире существует несколько моделей ассимиляционного типа. Среди них — разработанная при финансировании Министерства обороны США модель GAIM[6]. В России разработки в данном направлении ведутся в ФГУБ «Центральная Аэрологическая Обсерватория»[7].

Но все же приемники, предназначенные для гражданского использования, не в силах выполнять корректировку в случае непредвиденных изменений, которые могут быть вызваны солнечными ветрами. Приемники, разработанные для нужд армии, принимают два вида сигналов с различной частотой, соответственно – с различной скоростью прохождения в ионосфере. Поэтому разница во времени их прибытия позволяет скорректировать погрешность, возникающую при вычислениях скорости прохождения сигналов через ионосферу.

Несмотря на то, что навигационное сообщение, передаваемое с борта спутника, содержит параметры модели ионосферы, компенсация фактической задержки, в лучшем случае, составляет 50%. При этом величина остаточной не моделируемой ионосферной задержки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м [8].

Влияния тропосферы

Тропосфера – самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8 – 13 км) [9]. Она также обуславливает задержку распространения радиосигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопараметров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном сообщении. Тропосферные задержки вызывают ошибки измерения псевдодальностей в 1 м.

При прохождении сигнала через тропосферу возникают искажения, вызванные погодными факторами, а именно – различной концентрацией водяного пара. Предугадать уровень концентрации пара настолько же сложно, насколько затруднительно предсказывать погоду, поэтому внести коррекцию методом вычислений крайне проблематично. С другой стороны, величина погрешности, вызванная особенностями прохождения сигнала через тропосферу заметно ниже влияния ионосферы, поэтому используется примерная поправка.

Однако данные спутников, которые расположены под углом менее 10° к горизонту, не включаются в измерения именно по этой причине, поскольку искажения достаточно высоки. Более точно настроить приемники позволяют погодные карты различных регионов. Геостационарные системы навигационного покрытия WAAS (Америка) и EGNOS (Европа) отсылают скорректированные сигналы для приемников, которые поддерживают дифференцированные поправки, эти данные заметно улучшают точность определения местоположения.

Отражения сигналов

Крупные объекты, находящиеся на пути сигнала – высотные здания и прочие объекты, часто становятся причиной его отражения, которое принимается приемником вместе с прямыми сигналами. Это приводит к искажению дальности, так как отраженному сигналу требуется больше времени, чтобы достичь приемника, погрешность в результате отражения может составлять несколько метров.

Рис. 8. Отражение сигналов

Также помехой для спутниковых измерений могут стать достаточно мощные источники излучений – радиостанции, локаторы, т.п.