Дополнительные средства повышения точности GPS-приемника, спутниковые дифференциальные подсистемы WAAS, EGNOS, MSAS.

Погрешности определения дальностей до спутников системы GPS примерно одинаковы для небольшого, ограниченного района. Поэтому с помощью эталонного GPS-приемника, расположенного в точке с заранее точно известными координатами, можно определить так называемые дифференциальные поправки к псевдодальностям. И уже с их помощью уточнить позицию, определяемую любым GPS-приемником, работающим в данном районе. 

Дополнительные средства повышения точности GPS-приемника, спутниковые дифференциальные подсистемы WAAS, EGNOS, MSAS.

Дифференциальная GPS.

Такая технология называется дифференциальной GPS, или DGPS. Разумеется, чем ближе приемник находится к эталонному месту, тем выше точность, поэтому дальность действия такой системы ограничена. Поправки передаются в специальном формате RTCM SC-104 (Radio Technical Commission for Maritime Services). В простейшем случае для передачи поправки используется радиомодем.

В зависимости от способов передачи создаются различные сети станций DGPS, как бесплатные, так и коммерческие, или корпоративные. Наиболее широко распространена бесплатная морская сеть DGPS, передающая поправки по радио на частотах 285—325 кГц. Изначально созданная береговой охраной США и Канады на базе бывших радиомаяков, она развернута вдоль побережий и внутренних водных путей многих стран.

Структура дифференциальной системы GPS.

Дополнительные средства повышения точности GPS-приемника, спутниковые дифференциальные подсистемы WAAS, EGNOS, MSAS

Когда говорят об обычных приемниках DGPS, имеют в виду именно эту систему. С ее помощью точность повышается до 5 метров. Кроме того, дифференциальная поправка подскажет и об аварийных отклонениях сигнала GPS-приемника, обеспечивая контроль непрерывности навигации и повышая ее надежность. Частота ближайшей дифференциальной станции вводится вручную или производится ее автоматический поиск. Приемники дифференциальной поправки, совместимые с большинством потребительских GPS-навигаторов, можно найти на сайтах многих изготовителей.

Коммерческие дифференциальные системы существуют, в частности, в некоторых европейских странах. Во многих случаях стоимость услуг зависит от заказываемого уровня точности. Чаще всего передача поправки осуществляется в УКВ-диапазоне, сигналы кодируются, аппаратура для их приема и подписка с ключами расшифровки поставляется владельцами систем. В некоторых системах используется передача через спутники. Корпоративные дифференциальные системы создаются для обеспечения каких-либо работ, например геодезических, а также спортивных соревнований, точных замеров скорости и так далее.

Стоимость OEM-платы дифференциальной поправки вместе с GPS-платой, к примеру, фирмы Motorola не превышает нескольких сот долларов. Для передачи данных можно использовать любое модемное соединение, радиомодем, проводное, радио, сотовый модем и так далее. В любом случае недостатками DGPS остаются ограниченный радиус действия и необходимость отдельного GPS-приемника для поправок.

Спутниковые дифференциальные подсистемы широкого радиуса действия WAAS, EGNOS, MSAS.

Система WAAS.

Более современная, работает с 2003 года, американская система WAAS (Wide Area Augmentation System) и ее аналоги используют несколько другой метод расчета поправок. Данные об отклонении сигналов GPS собираются не одиночной дифференциальной станцией для небольшого района, а целой сетью наземных станций, на территории США — 25 станций, и передаются на две главные станции, где производится их обработка и вычисляются поправки для всей зоны покрытия.

Полученные данные транслируются потребителям через один или два геостационарных спутника. Частота сигнала та же, что и GPS, поэтому для приема поправки WAAS не нужен отдельный приемник. Работу с WAAS поддерживает большинство современных моделей GPS-приемников, даже портативных. WAAS — бесплатная система, была разработана для повышения точности и надежности захода на посадку самолетов гражданской авиации (precise approaches), но доступна всем гражданским пользователям. Высокая точность местоположения —до 3 метров в горизонтальном и вертикальном направлениях, при использовании WAAS обеспечивается в течение 95 % времени.

Существуют два ограничения при использовании WAAS. В отличие от спутников GPS, сигналы геостационарных спутников, особенно при низких углах возвышения над горизонтом, чаще могут затеняться местными предметами и приниматься не по всей зоне покрытия. Поэтому в первую очередь это система для открытой местности, для авиации и моря. С другой стороны, сигналы WAAS могут приниматься и за пределами зоны покрытия, для которой реально рассчитываются поправки. И рассчитывать на повышение точности в таком районе нельзя. В планах создателей системы — расширение зоны покрытия на Аляску и Мексику и создание на ее основе Глобальной навигационной спутниковой посадочной системы (GLS).

Зоны действия спутниковых дифференциальных подсистем WAAS, EGNOS, MSAS.

Зоны действия спутниковых дифференциальных подсистем WAAS, EGNOS, MSAS

Система EGNOS.

В настоящее время разворачивается европейский аналог WAAS — система EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) — совместный проект Европейского космического агентства, Еврокомиссии и Евроконтроля, организации по безопасности воздушного движения. Европейская система использует такие же принципы и сигналы, что и WAAS, так что владельцы GPS-приемника, способных принимать и декодировать сигналы WAAS, смогут в зоне ее действия получить точность порядка 5 метров и существенно повысить надежность навигации.

Помимо GPS, система будет передавать поправки и к сигналам ГЛОНАСС. Система состоит из трех геостационарных спутников, сети из 34 наземных станций (RIMS-Ranging and Integrity Monitoring Station), 6 передающих станций и 4 контрольных центров (MCC-Master Control Centre). Стоимость системы около 300 миллионов евро.

Другие средства повышения точности показаний GPS-приемника.

В заключение кратко упомянем другие технологии, применяемые для повышения точности и контроля непрерывности гражданской GPS-навигации, главным образом в профессиональных приложениях. Помимо упоминавшихся двухчастотных гражданских приемников и комбинированных приемников GPS-ГЛОНАСС, можно назвать следующие.

Постобработка данных или Post-processing.

Иногда шутливо называемая «Poor Man DGPS» («DGPS для бедных»), на самом деле — эффективная высокоточная технология, широко используемая в геодезии. Используется пара специальных приемников GPS, имеющих возможность сохранять в памяти измеренные псевдодальности. После выполнения измерений на местности данные обоих приемников для каждого момента времени обрабатываются специальным программным обеспечением и на основании данных одного рассчитываются дифференциальные поправки для GPS-приемника. Это позволяет добиваться высокой относительной точности, до сантиметров.

Частотно-фазовые измерения (Carrier-phase tracking).

В дополнение к определению дальности до спутников с помощью кода, сам несущий сигнал может использоваться для уточнения измерений. Замеры сдвига фазы несущего сигнала применяются для высокоточного (порядка сантиметров) определения местоположения, а измерение доплеровского сдвига частоты — для уточнения скорости и направления. Технология измерения разности фаз для двух или трех антенн используется для определения направления в общедоступных морских «спутниковых компасах».

RAIM-Receiver Autonomous Integrity Monitoring.

Приемник с автономным контролем непрерывности навигации. Эта технология не повышает точность навигации, а лишь позволяет собственными средствами GPS-приемника обнаружить недостоверный сигнал спутника GPS. Для этого приемник использует избыточное количество спутников сверх необходимых четырех и вычисляет среднюю позицию по данным разных созвездий спутников.

Спутники, данные которых заметно отличаются от средних значений, игнорируются. Этой возможностью обладают практически все современные стационарные авиационные GPS-приемники, в том числе для малой авиации. Избыточное количество спутников также может использоваться для дополнительной коррекции атмосферной рефракции в одночастотных GPS-приемниках.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.