Навигация и лоция СПГУВК-2004. Дмитриев В. И., Григорян в л., Катенин В. А
 Скачать 24.68 Mb.
|
|
Эксплуатационные требования к морской дифференциальной подсистеме Характеристики подсистемы Плавание в портах и на подхо- дах к ним Управле- ние движе- нием судов Координи- рование СНО Обеспечение спец. работ в экономиче- ской зоне Погрешность оп- ределения места (с Р = 0,95), м 8 −20 10 5-10 1 Рабочая зона, км 20 Не опре- делена 20 200 миль Доступность 0,997 0,999 0,95 0,95 Целостность: вре- мя подачи сигнала предупреждения, с 6 −10 6 −10 приемников значительно больше расстояния между самими прием- никами, то считают, что условия приема сигналов обоими приемни- ками практически одинаковы. Следовательно, и величины ошибок также будут близки. В дифференциальном режиме измеряют не аб- солютные координаты первого приемника, а его положение относи- тельно базового (вектор базы). Таким образом, дифференциальный режим предполагает наличие как минимум двух приемоиндикаторов в двух точках 1 и 2 пространства: ПИ1 на контрольно-коррек- тирующей станции (ККС) и ПИ2 на судне. Причем ПИ1 геодезиче- ски точно привязан к принятой системе координат (ПЗ-90 или WGS- 84). Разности между измеренными ПИ1 и рассчитанными в нем зна- чениями псевдодальностей "видимых" НКА, а также разности соот- ветствующих псевдоскоростей по линии передачи данных (ЛПД) пе- редаются ПИ2, в котором они вычитаются из измеренных ПИ2 псев- додальностей и псевдоскоростей. Если погрешности определения псевдодальностей слабо изменяются во времени и пространстве, то они существенно компенсируются переданными по ЛПД поправка- ми. При этом дифференциальные поправки могут быть использованы только в пределах дальности действия ККС и в течение определенно- го времени. С увеличением интервала времени от определения и дальности между контрольно-корректирующей станцией и опреде- 384 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации ляющимся судном достижимая точность дифференциального режима падает. Установлено, что погрешность определения места возрастает примерно на 1 м с увеличением расстояния до ККС примерно на 150 км. Поэтому в определенный момент наступает их предельное со- стояние, когда применение дифференциального режима не дает пре- имуществ перед штатным режимом использования среднеорбитных СНС. Это стало особенно заметным после того, как 1 мая 2000 г. правительство США отключило режим селективного доступа (Selec- tive Availability), и пользователи системы GPS получили возмож- ность в полной мере реализовать потенциальную точность данной системы, т. е. порядка 15—20 м (с Р = 0,997). С учетом изложенного, правомерно говорить о создании во- круг ККС пространственно-временной локальной рабочей области применения ДГНСС. Ее размеры определяются исходя из потребной точности навигационных определений, а не из возможной дальности действия радиопередатчика корректирующей информации. Наряду с описанным существуют и другие разновидности дифференциального метода, например: • дифференциальный режим с коррекцией координат; • дифференциальный режим с использованием относительных координат; • дифференциальный режим с использованием псевдоспутни- ков и др. Дифференциальные подсистемы (ДПС) подразделяются на широкозонные, региональные и локальные. Широкозонные ДПС. В настоящее время известность получи- ли проекты, использующие геостационарные НКА в качестве средств передачи сигнала контроля целостности и дифференциальных по- правок. К ним относятся: американская WAAS, европейская EGNOS, японская MSAS. Основой широкозонной ДПС является сеть ККС, информация которых передается в центр управления для совместной обработки с целью выработки общих поправок и сигналов целостности. Размер рабочей зоны широкозонной ДПС составляет до 5000 км. Вырабо- танные сигналы целостности и корректирующие поправки передают- ся по ЛПД, возможности которых должны соответствовать размерам зоны системы. Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 385 Региональные ДПС. Они предназначены для навигационного обеспечения отдельных регионов континента, моря, океана. Диаметр рабочей зоны может составлять от 400—500 км до 2000 км. Регио- нальные подсистемы могут иметь в своем составе одну или несколь- ко ККС, а также соответствующие средства передачи корректирую- щей информации и сигналов целостности. Примером региональных ДПС являются дифференциальные подсистемы Starfix. Эти подсистемы имеют дальность свыше 2000 км. Сеть таких ДПС образована 60-ю наземными ККС и 4-мя НКА Инмарсат и охватывает многие районы всех континентов за ис- ключением части Африки и России, а также акватории прилегающих морей. Заявленная точность определения координат места (с Р = 0,95) составляет 1—2 м на дальностях до 1000 км и 3 м на рас- стояниях, превышающих 2000 км. Локальные ДПС. Они имеют максимальные дальности дейст- вия от ККС до 50—200 км. Локальные ДПС чаще всего включают одну ККС, аппаратуру управления и контроля (в том числе, контроля целостности) и средства передачи данных. В настоящее время определились три основных класса ЛДПС: • морские ЛДПС для обеспечения мореплавания в проливных зонах, узкостях и акваториях портов и гаваней в соответствии с требованиями Международной морской организации (ИМО); • авиационные ЛДПС для обеспечения захода на посадку и по- садки по категориям Международной организации граждан- ской авиации (ИКАО); • ЛДПС для геодезических, землемерных и других специаль- ных работ. В практике судовождения широкое распространение получи- ли морские ЛДПС, использующие в качестве средств линии передачи данных всенаправленные средневолновые радиомаяки с дальностью действия до 200 км, располагаемые обычно в местах интенсивного движения судов, и спутниковые системы связи (рис. 24.3). Их функ- ционирование поддерживается национальными властями и коорди- нируется в международном масштабе. Использование имеющейся материальной базы радиомаячной службы (передатчики, антенные системы, системы энергоснабжения) позволяет снизить стоимость 386 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации развертывания морской дифференциальной подсистемы. Поэтому морская радиомаячная служба является предпочтительной основой для создания такой подсистемы. Рис. 24.3. Общая схема построения морской дифференциаль- ной подсистемы Предполагается, что сеть ЛДПС, работающих по системам ГЛОНАСС и GPS (ГНСС), будет охватывать все побережье России и Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 387 акватории прилегающих морей. Главными элементами дифференци- альной подсистемы (рис. 24.4) являются: • контрольно-корректирующая станция, осуществляющая из- мерения навигационных параметров, контроль навигационно- го поля ГНСС, расчет дифференциальных поправок; • линия передачи да ных на базе радиопередатчиков радиома- н ячной службы; • судовой приемник дифференциальных поправок; • судовой приемник ГНСС, сопряженный с приемником диф- поправок. Рис. 24.4 Структурная схема контрольно-корректирующей стан- ции: КС — контрольная станция; ОС ок — основной комплект опор- ной станции; ОС рк — резервный комплект опорной станции; ПКУ — пункт контроля и управления; СИК ок , СИК рк — соответ- ственно основной и резервный комплекты станции интеграль- ного контроля; РМ к — радиомаяк; 1—6 — антенны; 7, 8 — соот- ветственно первый и второй полукомплекты оборудования РМ к 388 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации Такие ККС рассчитывают по данным приемников сигналов ГЛОНАСС и GPS поправки, преобразуют их в стандартные сообще- ния и подают их на модулятор передатчика-радиомаяка. Дифференциальные подсистемы одновременно с выработкой и передачей дифпоправок решают задачу контроля состояния (цело- стности) ГНСС и доведения до потребителей его результатов. Зада- чами контроля качества радионавигационного поля ГНСС являются: • своевременное обнаружение аномалий в функционировании космических аппаратов; • оценка реальных возможностей ГНСС и ДПС в локальных зонах; • выработка рекомендаций по использованию ГНСС и ДПС и доведение их до потребителей. Погрешность определения координат места судна (с Р = 0,95) при совместном использовании СНС ГЛОНАСС и GPS составит от 2 до 4,5 м. 24.5 Точность определения места по среднеорбитной ГНСС Решение навигационной задачи с помощью НАП заключает- ся в определении пространственно-временных координат путем двухэтапной процедуры обработки навигационной информации. На первом этапе производят измерение навигационных параметров, а на втором этапе полученные параметры подвергаются преобразованиям на основе навигационных алгоритмов с целью расчета пространст- венно-временных координат. На точность определения координат существенное влияние оказывают погрешности, возникающие при выполнении первичных и вторичных измерений. Природа этих погрешностей различна. Рас- смотрим основные из них применительно к псевдодальномерному методу. Выражение (24.2) записано в упрощенном виде, так как дальномерная погрешность дал i δ представлена только одной состав- ляющей D′ . Фактически их значительно больше, например: 1) неточное определение времени. При всей точности вре- менных эталонов НКА существует некоторая погрешность шкалы Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 389 времени аппаратуры спутника. Она приводит к возникновению сис- тематической погрешности определения координат около 0,6 м; 2) погрешности вычисления орбит. Они появляются вслед- ствие неточностей прогноза и расчета эфемерид спутников, выпол- няемых в аппаратуре приемника. Эти погрешности также носят сис- тематический характер и приводят к погрешности измерения коор- динат около 0,6 м; 3) инструментальная погрешность приемника. Она обу- словлена, прежде всего, наличием шумов в электронном тракте при- емника. Отношение сигнал/шум приемника определяет точность процедуры сравнения принятого от НКА и опорного сигналов, т. е. погрешность вычисления псевдодальности. Это приводит к возник- новению погрешности в координатах порядка 1,2 м; 4) многолучевость распространения сигнала. Она появля- ется в результате вторичных отражений сигнала спутника от круп- ных препятствий, расположенных в непосредственной близости от приемника. При этом возникает явление интерференции, и измерен- ное расстояние оказывается больше действительного. Аналитически данную погрешность оценить достаточно трудно. Способом борьбы с нею является рациональное размещение антенны приемника отно- сительно препятствий. В результате воздействия этого фактора по- грешность определения псевдодальности может увеличиться на 2,0 м; 5) ионосферные задержки сигнала. Ионосфера — это иони- зированный атмосферный слой в диапазоне высот 50—500 км, кото- рый содержит свободные электроны. Наличие этих электронов вы- зывает задержку распространения сигнала спутника, которая прямо пропорциональна концентрации электронов и обратно пропорцио- нальна квадрату частоты радиосигнала. Для компенсации возникаю- щей при этом погрешности определения псевдодальности использу- ется метод измерений на частотах L1 и L2 (в двухчастотных прием- никах). Линейные комбинации двухчастотных измерений не содер- жат ионосферных погрешностей первого порядка. Кроме того, для частичной компенсации этой погрешности может быть использована модель коррекции, которая аналитически рассчитывается с исполь- зованием информации, содержащейся в навигационном сообщении. При этом величина остаточной немоделируемой ионосферной за- 390 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации держки может вызывать погрешность определения псевдодальности около 10 м; 6) тропосферные задержки сигнала. Тропосфера — самый нижний от земной поверхности слой атмосферы (до высоты 8— 13 км). Она также обуславливает задержку распространения радио- сигнала от спутника. Величина задержки зависит от метеопарамет- ров (давления, температуры, влажности), а также от высоты спутника над горизонтом. Компенсация тропосферных задержек производится путем расчета математической модели этого слоя атмосферы. Необ- ходимые для этого коэффициенты содержатся в навигационном со- общении. Тропосферные задержки вызывают погрешности измере- ния псевдодальностей в 1 м; 7) геометрическое расположение спутников. При вычисле- нии суммарной погрешности необходимо учитывать взаимное поло- жение потребителя и спутников рабочего созвездия. Для этого вво- дится специальный коэффициент (GDOP — Geometrical Delution of Precision) геометрического ухудшения точности, на который необхо- димо умножить все перечисленные выше погрешности, чтобы полу- чить их результирующую погрешность. Величина коэффициента GDOP зависит от взаимного расположения спутников и приемника. Она обратно пропорциональна объему фигуры, которая будет обра- зована, если провести единичные векторы от приемника к спутни- кам. Большое значение GDOP говорит о неудачном расположении НКА и большой величине погрешности. На рис. 24.5 приведены примеры удачного (а)и неудачного (б) геометрического положения спутников. Все дальномерные погрешности в зависимости от их происхождения можно разбить на три группы: 1) погрешности НКА D δ , вносимые на i-ом НКА или КИК; 2) погрешности трi D δ ,, вносимые на трассе распространения сигнала i-го НКА; 3) погрешности НАП D δ вносимые в НАП. Тогда уравнение (24.2) запишем в виде изм дал НКА тр НАП i i i i i D D D D D D D ′ = + δ = + + δ + δ + δ (24.3) Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 391 Рис. 24.5. Варианты геометрического расположения созвездия НКЛ, выбранного для обсервации: а — удачное; б — неудачное Первая группа погрешностей обусловлена в основном несо- вершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения НКА. Погрешности частотно-временного обеспечения (расхожде- ние шкал времени системы спутников и потребителя и расхождение частот их опорных генераторов) включаются в число неизвестных (оцениваемых) по измерениям и на результат обсервации влияния не оказывают, хотя для их исключения требуется избыточное количест- во наблюдаемых спутников (четыре для трехкоординатной обсерва- ции). Эфемеридные погрешности вызваны неточностью определе- ния на КИК параметров орбит НКА и непрогнозируемыми смеще- ниями спутника относительно экстраполированной орбиты. К погрешностям второй группы следует отнести: • ионосферные ошибки измерений; • тропосферные ошибки измерений; • ошибки, вызванные приемом отраженных местными предме- тами сигналов (многолучевость). Эти ошибки в основном и определяют суммарную погреш- ность обсервации. Вклад их в суммарную погрешность оценивается единицами метров (практически по каждой составляющей). 392 Раздел 6. Использование радиотехнических средств в навигации К погрешностям третьей группы, обусловленной аппаратурой потребителя, можно отнести погрешности слежения за моментом прихода сигнала спутника. При этом основной вклад вносят шумо- вые и динамические погрешности схем слежения за задержкой оги- бающей и несущей сигналов НКА. Их значения в целом оцениваются величиной в несколько десятков (20—30) сантиметров. Соотношение между погрешностями определения первичных и вторичных навигационных параметров зависит от геометрии вза- имного расположения НКА и подвижного объекта, в качестве коли- чественной меры которого используется коэффициент геометрии — геометрический фактор К г (GDOP — геометрический фактор ухуд- шения местоопределения). Количественная характеристика К г вво- дится для случая, когда погрешности определения псевдодальностей равновелики и не коррелированы. Геометрический фактор может быть представлен в виде 2 2 г гп г t K K K = + 2 (24.4) где К гп — пространственный коэффициент для трехмерных коорди- нат (PDOP — Position Delation of Precision); К гt — временной коэф- фициент (TDOP — Time Delution of Precision). СКП измерения псевдодальностей может быть приближенно рассчитана по формуле ( ) 0,5 2 2 2 2 дал НКА тр НАП i D D D D ⎡ ⎤ ′ σ = + + δ + δ ⎣ ⎦ (24.5) Пространственный коэффициент геометрии, в свою очередь, можно разделить на две составляющие, характеризующие точность определения места подвижного объекта в горизонтальной и верти- кальной плоскостях: 2 2 2 гп гг гв , K K K = + (24.6) где К гг — горизонтальный (HDOP — Horizontal Delution of Precision) коэффициент для двухмерных координат; К гв — вертикальный (VDOP - Vertical Delution of Precision) коэффициент для вертикаль- ных координат. Так как наиболее важной характеристикой является точность определения координат места судна, то в оценке его точности наибо- лее часто используются коэффициенты K гп (PDOP) и K гг (HDOP). Глава 24. Определение места с использованием спутниковых систем 393 Установлено, что минимальное значение K гп = 1,5 достигает- ся в случае, когда подвижной объект находится в центре правильного тетраэдра. В случае судовождения минимальное значение K гг = 1,63 достигается тогда, когда один НКА находится в зените, а три других равномерно расположены в горизонтальной плоскости (K гt = 0,577; К г = 1,732). Следовательно, для минимизации К г необходимо мини- мизировать объем тетраэдра. Конфигурация орбитальной группировки GPS такова, что она с вероятностью 0,999 обеспечивает в глобальном масштабе види- мость в любой момент времени четырех и более НКА. При этом че- тыре НКА обеспечивают PDOP ≤ 6, HDOP = 1,5, a VDOP = 2,2. Значения геометрических факторов, обеспечиваемых орби- тальной группировкой ГЛОНАСС и вероятности видимости Р N за- данного числа спутников приведены в табл. 24.3 Таблица 24.3. |