Идея пятая: Ионосферные и атмосферные задержки сигналов.

Как бы ни была совершенна система GPS, существуют два источника погрешностей, которые очень трудно избежать. Наиболее существенные из этих погрешностей возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли – слоя заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы существенным образом влияют на скорость распространения радиосигналов GPS. А это делает невозможным точное вычисление расстояний до спутников, поскольку они построены на предположении о том, что скорость распространения радиоволн строго постоянна.

Для того чтобы сделать такие ошибки, связанные с распространением радиоволн, минимальными, используются два метода.

Во-первых, можно вычислить каково будет типичное изменение скорости при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все измерения.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний.

Таким образом, если сравнить время распространения двух разночастотных компонент сигнала GPS, то можно вычислить изменение скорости распространения радиоволн. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках GPS.

После того, как сигналы GPS пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в которой происходят все погодные явления. Водяные пары в атмосфере также могут влиять на радиосигналы. Ошибки по величине схожи с ошибками, вызываемыми ионосферой, но их почти невозможно скорректировать. Их суммарный вклад в погрешность местоположения незначительный.

Другие виды погрешностей.

Как бы точны ни были атомные часы на спутниках, все же и у них имеются источники небольших погрешностей. Специальные станции следят за этими часами и выверяют их, если выявится незначительный уход.

Судовые ПИ так же могут быть источниками ошибок. Компьютер приемника может округлить математическую операцию, или электрические помехи могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов.

Еще один тип погрешностей - это ошибки "многолучевости". Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приёмник.

Все источники погрешностей суммируются и придают каждому измерению GPS некоторую неопределенность.

Геометрический фактор (см. подраздел 25.4.1).

Для достижения наибольшей точности в приемнике GPS учитывается своеобразный геометрический принцип, названный "Geometric Dilution of Precision - GDOP" (геометрический фактор снижения точности).

Суть его состоит в том, что в зависимости от взаимного расположения спутников на орбите геометрические соотношения, которыми характеризуется это расположение, могут многократно влиять на увеличение или уменьшение точности измерений.

Наличие областей неопределенности означает, что мы не можем больше считать, что находимся в четко определенной точке. Можно лишь сказать, что мы где-то внутри этой суммарной области неопределенности. Исходя из этого, приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.

Точность GPS

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима SA ("Selective Availability"- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. И если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

25.4.3. Спутниковая навигационная система НАВСТАР

В 1973 г. в США было принято решение разработать СНС нового поколения, лишенную недостатков системы «Навсат» (см. подраздел 25.3 настоящей главы) и предназначенную для обеспечения непрерывной и высокоточной навигационной информацией (время, три пространственные координаты: широта, долгота, высота, вектор скорости объекта, заданный тремя своими проекциями) неограниченного количества потребителей в любой точке земного шара. Проект получил название GPS (Global Positioning System) или NAVSTAR (Navigation Satellite Time and Ranging). В феврале 1978 г. был запущен первый экспериментальный спутник GPS.

На самом же деле она была разработана по заказу ВМФ США для использования сети спутников, предназначавшихся для американской программы "звёздных войн". Самые современные на тот момент радионавигационные системы: наземные «Loran-C», «Omega» и спутниковая РНС «Transit» перестали удовлетворять требованиям военных в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата

О гражданском применении GPS широко заговорили в 1983 г. после катастрофы южнокорейского авиалайнера, сбитого над Курильскими островами. В начале 90-х годов систему было разрешено использовать в гражданских целях. Услуги системы GPS предоставляются по всему миру бесплатно и всё, что нужно для её использования - соответствующий приёмник.

Система GPS предоставляет два вида услуг: SPS - стандартной точности (для гражданских пользователей) и PPS - высокой точности (для военных). При разработке системы, точность SPS в 100 м считалась достаточной для гражданских целей. По мере испытаний оказалось, что подсистема SPS точнее, чем предполагалось. Для сохранения преимущества высокой точности для военных, с марта 1990 г. был введен режим «ограничения доступа» SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS. В мае 2000 года эти ограничения были сняты и теперь для современных гражданских 12-канальных приемников средняя точность измерений составляет 15м.

Система основана на вычислении расстояния от пользователя до спутника по измеренному времени от передачи сигнала спутником до приема этого сигнала пользователем. Пользователю не требуется иметь точные часы, поскольку измеряется расстояние до четырех спутников и по данным этих измерений вычисляются не только три координаты, но и уход часов пользователя. В СНС НАВСТАР используются также доплеровские методы измерения НП в целях определения вектора скорости объекта.

Боевое крещение система получила в ходе операции «Буря в пустыне». К тому времени еще не было запущено достаточно спутников. Потребовалось маневрировать имеющимися, для обеспечения круглосуточного покрытия зоны боевых действий. Интересно, что в сентябре 1989 г. фирма «MAGELLAN SYSTEMS CORP» выпустила приемник GPS –«NAV-1000M» - для применения в военных целях, и была выбрана 10 странами-членами НАТО в качестве поставщика приемников. Более 3000 приемников типа «NAV-1000M» наряду с прочими использовались США и Силами Коалиции во время войны в Персидском заливе. Сухопутные подразделения и морская пехота были тогда, в основном, укомплектованы носимыми одноканальными приемниками, аналогичными гражданским, и не способными принимать сигналы высокой точности. Было решено отключить на время боевых действий режим SA, что давало возможность пользования высокой точностью также и противнику.

К середине 1993 г. на орбитах находились уже 24 спутника, что достаточно для непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 г. В настоящее время СНС НАВСТАР развёрнута и введена в эксплуатацию как глобальная СНС, обеспечивающая непрерывное трёхмерное определение места.

В СНС НАВСТАР используется система координат WGS-84.

GPS является навигационным средством, и его использование не освобождает судоводителя от необходимости знать и использовать более традиционные методы навигации и управления судном.

Состав СНС НАВСТАР. Как и любая СНС (см. подраздел 25.1 настоящей главы), НАВСТАР состоит из трёх основных элементов:

- системы ИСЗ, используемых как навигационные ориентиры;

- наземного комплекса управления;

- бортовой аппаратуры потребителей навигационной информации (ПИ).

Сегмент пространства СНС НАВСТАР.Сегмент пространства состоит из рабочего созвездия ИСЗ, включающего 24 активных спутника, расположенных на круговых орбитах высотой около 20 200 км с периодом обращения 12 ч. Все спутники рас-положены в шести орбитальных плоскостях (по 4 в каждой), сдвинутых по долготе друг относительно друга на 60°. Углы наклона плос-костей орбит относительно экватора составляют 55°. В каждой из шести орбитальных плоскостей спутники расположены равномерно с угловым расстоянием между ними 120° (рис. 25.15). Мгновенные положения ИСЗ на орбитах согласованы таким образом, что относительно спутника, принадлежащего одной плоскости орбиты, спутник в соседней плоскости, лежащей восточнее, будет находиться на 40° «впереди» или севернее. Радиус зоны радиовидимости 76°. Для повышения надёжности системы в каждой из нечётных плоскостей орбит размещены по одному резервному ИСЗ.

Подобный выбор параметров орбит ИСЗ позволяет обеспечить в любой точке земного шара приём радиосигналов не менее четырёх спутников и тем самым решить задачу непрерывного глобального навигационного обеспечения пользователей. Кроме того, так как период обращения ИСЗ системы равен половине синхронного, то каждый спутник будет проходить над одной и той точкой земной поверхности через звёздные сутки. Благодаря этому, в частности, отпадает принципиальная необходимость разворачивать глобальную сеть станций слежения за ИСЗ системы.

Спутники движутся со скоростями около 11000 км/ч. Важным элементом спутника являются атомные часы, рубидиевые и цезиевые, по четыре на каждом. Спутники идентифицируются номером PRN (Pseudo Random Number), который отображается на приемнике GPS.

Среднее время жизни каждого спутника GPS составляет около 10 лет. В связи с этим по мере необходимости производится замена старых спутников новыми. Масса спутника GPS составляет около 900 кг, а его ширина - около 5 м с развернутыми солнечными батареями (рис. 25.16).