что такое геометрический фактор в спутниковой навигации

Точность определения координат в GPS-навигации и причины ошибок GPS.

Пользователя GPS-навигатора всегда интересует реальная точностьсистемы GPS-навигации и степень доверия к ее показаниям. Насколько можно приближаться к какой-либо навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS-навигатора? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибок GPS-навигации. Рассмотрим их подробнее.

Точность определения координат в GPS-навигации и причины ошибок GPS.

На скорость распространения радиоволн влияют ионосфера и тропосфера, ионосферная и тропосферная рефракция. Это главный, после отключения SA, источник погрешностей. Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Задержки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом. Чем нижеспутник, тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5 градусов.

Кроме того, атмосферные помехи зависят от времени суток. После захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается, явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам. Военные и гражданские приемники GPS-навигаторов могут автономно определять атмосферную задержку сигнала, сравнивая задержки на разных частотах. Одночастотные потребительские приемники вносят приблизительную поправку на основании прогноза, передаваемого в составе навигационного сообщения. Качество этой информации в последнее время выросло, что дополнительно повысило точность GPS-навигации.

Режим SA.

Для сохранения преимущества высокой точности для военных GPS-навигаторов с марта 1990 года был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS-навигатора. При задействованном режиме SA в мирное время добавляется ошибка в несколько десятков метров. В особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Правительство США отвечает за работоспособность системы GPS перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что повторное включение SA, и тем более, столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.

Загрубление точности достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, — случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS-навигатору. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Погрешности в эфемеридных данных при GPS-навигации.

Прежде всего это погрешности, связанные с отклонением спутника от расчетной орбиты, неточностями часов, задержками сигнала в электронных схемах. Коррекция этих данных производится с Земли периодически, в промежутках между сеансами связи ошибки накапливаются. Ввиду малости эта группа погрешностей не имеет значения для гражданских пользователей.

Крайне редко, но могут иметь место более крупные ошибки из-за внезапных сбоев информации в устройствах памяти спутника. Если такой сбой не выявляется средствами самодиагностики, то до момента обнаружения ошибки наземной службой и передаче команды о неисправности спутник может какое-то время передавать неверную информацию. Происходит так называемое нарушение непрерывности или как часто переводят термин integrity, целостности навигации.

Влияние отраженного сигнала на точность GPS-навигации.

Кроме прямого сигнала от спутника GPS-приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов так называемое характеризующие многолучевое распространение (multypath). Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем судна, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Как правило, эти ошибки намного меньше 100 метров, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия при GPS-навигации.

Зависит от расположения приемника относительно спутников, по которым определяется позиция. Если приемник поймал четыре спутника и все они находятся на севере — спутниковая геометрия плохая. Результат ошибка до 50-100 метров или даже невозможность определения координат.

Все четыре измерения — из одного и того же направления, и область пересечения линий положений слишком велика. Но если 4 спутника будут расположены равномерно по сторонам горизонта, то точность намного возрастет. Спутниковая геометрия измеряется геометрическим фактором PDOP (Position Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP = 1. Большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии.

Пригодными для навигации считаются значения PDOP меньше 6,0. В двухмерной навигации применяется HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), меньше 4,0. Также используются вертикальный геометрический фактор VDOP, меньше 4,5, и временной TDOP, меньше 2,0. PDOP служит множителем для учета ошибок от других источников. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, режима SA, отраженного сигнала и так далее.

Так, если предполагаемые значения суммарных задержек сигнала по этим причинам, URE User Range Error или UERE User Equivalent Range Error, по-русски ЭДП — эквивалентная дальномерная погрешность, в сумме составляют 20 метров и HDOP = 1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет равна 20 х 1,5 = 30 метров. Приемники GPS-навигаторов по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP.

Кроме PDOP или HDOP, используется GQ (Geometric Quality) величина, обратная HDOP, или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают ЕРЕ (Estimated Position Error — ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемых в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS-навигатора внутри транспортных средств, в густом лесу, горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS, и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена. Хороший приемник GPS-навигатора покажет не только, какие спутники используются, но и их местоположение, азимут и возвышение над горизонтом, так что вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника.

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

Источник

СОДЕРЖАНИЕ

Вступление

грамм D О п знак равно Δ ( О ты т п ты т L о c а т я о п ) Δ ( M е а s ты р е d D а т а ) <\ displaystyle GDOP = <\ frac <\ Delta (<\ rm

>)> <\ Delta (<\ rm <Измерено \ Data>>)>>>

Концептуально вы можете геометрически представить ошибки измерения, приводящие к изменению члена. В идеале небольшие изменения в измеренных данных не приведут к большим изменениям в местоположении выхода. Противоположностью этому идеалу является ситуация, когда решение очень чувствительно к ошибкам измерения. Интерпретация этой формулы показана на рисунке справа, где показаны два возможных сценария с приемлемым и плохим GDOP. Δ ( M е а s ты р е d D а т а ) <\ Displaystyle \ Delta (<\ rm <Измерено \ Data>>)>

DOP можно выразить как несколько отдельных измерений:

Эти значения математически следуют из положений используемых спутников. Приемники сигналов позволяют отображать эти положения ( небесную диаграмму ), а также значения DOP.

Этот термин также может применяться к другим системам определения местоположения, которые используют несколько географически разнесенных сайтов. Это может произойти в средствах электронного противодействия ( радиоэлектронная борьба ) при вычислении местоположения источников излучения противника ( глушителей радаров и устройств радиосвязи). Использование такой техники интерферометрии может обеспечить определенную геометрическую схему, где есть степени свободы, которые нельзя учесть из-за неадекватных конфигураций.

Влияние геометрии спутников на ошибку местоположения называется геометрическим снижением точности (GDOP) и примерно интерпретируется как отношение ошибки местоположения к ошибке дальности. Представьте, что квадратная пирамида образована линиями, соединяющими четыре спутника с приемником на вершине пирамиды. Чем больше объем пирамиды, тем лучше (меньше) значение GDOP; чем меньше его объем, тем хуже (выше) будет значение GDOP. Аналогично, чем больше количество спутников, тем лучше значение GDOP.

Интерпретация

Коэффициенты DOP являются функциями диагональных элементов ковариационной матрицы параметров, выраженных либо в глобальной, либо в локальной геодезической системе координат.

Вычисление

В качестве первого шага в вычислении DOP рассмотрим единичные векторы от приемника до спутника i:

Первые три элемента каждой строки A являются компонентами единичного вектора от приемника до указанного спутника. Последний элемент каждой строки относится к частной производной псевдодальности по смещению часов приемника. Сформулируйте матрицу Q как ковариационную матрицу, полученную из нормальной матрицы наименьших квадратов :

Элементы Q обозначаются как:

PDOP, TDOP и GDOP определяются по:

Снижение точности по горизонтали и вертикали,

оба зависят от используемой системы координат. Соответствовать местной плоскости горизонта и местной вертикали в системе координат север, восток или вверх.

Источник

Термины и определения ГЛОНАСС и GPS

Динамичное развитие рынка навигационных технологий в России в последние годы привело к формированию навигационного сленга, которые становится все более распространенным. Но одно дело профессиональный сленг, который используют специалисты, подчас под одними и теми же терминами понимая немного разные вещи. На это все иногда накладывается нездоровая конкуренция, а что еще хуже умышленное введение в заблуждение потребителей технологий. Совсем другое дело, принятая профессиональным сообществом терминология, в которой нет разности в трактовке определений, где каждый из терминов обсужден и принят сообществом, и используется для выражения всем понятных объектов. Межотраслевой журнал навигационных технологий «Вестник ГЛОНАСС» приглашает всех желающих принять участие в формировании нашей отраслевой терминологии. Вы можете термины и свои собственные формулировки через форму на нашем сайте.

А-GPS технология, ускоряющая «холодный старт» GPS-приёмника. Ускорение происходит за счет предоставления необходимой информации через альтернативные каналы связи. Часто используется в сотовых телефонах, содержащих приемник GPS.(англ. Assisted GPS). Для алгоритмов A-GPS необходим канал связи с удаленным сервером, который предоставляет информацию для приемника. Для мобильных устройств этим каналом чаще всего является сотовая связь. Для передачи информации, устройство должно находиться в зоне действия базовой станции (БС) оператора сотовой связи и иметь доступ в интернет.

Абонентские терминалы (АТ) терминалы, используемые в системах мониторинга и управления транспортом, представляют собой серийно производимые профессиональные устройства. АТ служат для приема и обработки сигналов навигационных спутников, получают данные с датчиков о состоянии объекта, обеспечивают связь с телематическим сервером, передают управляющие сигналы на исполнительные устройства. Приемо-передающие узлы АТ могут быть различных типов, в зависимости от используемых сетей связи; спутниковые, сотовые, УКВ и прочие.

АГГД Астрономо-геодезические и гравиметрические данные

АЗН Автоматическое зависимое наблюдение

АИС Автоматическая идентификационная система

БРАС, РС, Спрут Морские разностно-дальномерные радионавигационные системы

ВВП Внутренние водные пути

ВОР VOR, всенаправленный угломерный наземный радиомаяк

ВРМ Секторный (веерный) радиомаяк

ГНСС Глобальная навигационная спутниковая система; ГНСС: Навигационная спутниковая система, предназначенная для определения пространственных координат, составляющих вектора скорости движения, поправки показаний часов и скорости изменения поправки показаний часов потребителя ГНСС в любой точке на поверхности Земли, акватории Мирового океана, воздушного и околоземного космического пространства.
Система, состоящая из созвездия навигационных спутников, службы контроля и управления, и аппаратуры пользователей, позволяющая определять местоположение (координаты) антенны приемника потребителя (GNSS) Состоит из трех подсистем (сегментов):
1. Наземного комплекса управления (НКУ).
2. Космических аппаратов (КА).
3. Аппаратуры пользователей (НАП).

Инициализация 2. Разрешение неоднозначности в начале позиционирования способом кинематики.

Коэффициент геометрического вклада в точность Коэффициент потери точности определения времени (TDOP) (time deletion of precision).

Отказ в навигационном обслуживании потребителя ГНСС Состояние навигационного космического аппарата ГНСС, при котором хотя бы одна характеристика его навигационного сигнала не соответствует установленным требованиям, о чем потребитель ГНСС заранее не извещен.

Относительное позиционирование — определение приращений координат по каждой координатной оси между двумя пунктами, на которых установлены антенны спутниковых приемников, выполняющих измерения в режимах статики или кинематики.

Рабочее созвездие навигационных космических аппаратов ГНСС Совокупность навигационных космических аппаратов ГНСС, навигационные сигналы которых используются потребителем ГНСС для определения его пространственных координат, составляющих вектора скорости движения и поправки показаний часов.

Универсальная программа обработки (спутниковых наблюдений) 3) GAMIT, разработана Массачусетским технологическим институтом, США

Источник

Что такое геометрический фактор в спутниковой навигации

При построении рабочих зон РНС вводят геометрический фактор системы связывающий точность местоопределения с видом системы и взаимным расположением станций и объекта. По существу вопрос о влиянии геометрического фактора на погрешность местоопределения рассматривался в § 10.4, здесь же уточним лишь некоторые формулировки.

При определении границ рабочих зон РНС использовалась формула (10.8). С учетом выражения (10.1) можно привести ее к виду

поскольку при равноточных измерениях радионавигационного параметра .

Из формулы (10.18) получим общее выражение для геометрического фактора РНС

(10.19)

являющегося отношением погрешности определения местоположения к погрешности измерения РНП. Из (10.19) следует, что линии равной точности, использованные ранее для определения рабочих зон РНС, являются линиями постоянного геометрического фактора. Следовательно, выражение (10.19) может быть использовано для построения линий равной точности, в частности для определения границ рабочих зон.

Для дальномерной РНС градиент . Следовательно,

(10.20)

Для угломерной системы и

Для разностно-дальномерной системы и

(10.22)

Анализ приведенных формул позволяет выбрать наиболее рациональное расположение станций системы (геометрию системы) для обслуживания заданного района, например района интенсивного мореплавания. Для этого станции системы нужно расположить так, чтобы интересующий район находился в области наименьших значений Г.

В заключение отметим, что коэффициенты и , использованные при определении границ рабочих зон угломерной и разностно-дальномерной систем, являются геометрическим фактором соответствующей системы на границе ее рабочей зоны.

При выборе или создании РНС для того или иного типа объектов и района обслуживания должны учитываться особенности распространения радиоволн.

Как отмечалось, в РНС с наземным базированием для точного местоопределения используют поверхностные волны, имеющие более стабильные параметры, чем пространственные, отраженные от ионосферы. Однако скорость распространения радиоволн над подстилающей поверхностью отличается от скорости распространения в однородной атмосфере, что может оказывать существенное влияние на точность местоопределения, особенно в системах дальней радионавигации. Прогнозирование скорости распространения и введение соответствующих поправок затруднено при неоднородности подстилающей поверхности на трассе распространения. В этом случае приходится определять поправки для отдельных участков трассы, после чего вычислять усредненную скорость для всей трассы.

В диапазоне гектометровых (средних) волн под воздействием неоднородностей подстилающей поверхности и атмосферы наблюдается зависимость фазовой скорости распространения от частоты (дисперсия скорости распространения). Поэтому при составлении навигационных карт импульсных РНС учитывают усредненное по всем частотам спектра сигнала значение скорости распространения радиоволн, называемое групповой скоростью .

На положение фазового фронта поверхностных радиоволн, а следовательно, и на точность местоопределения также влияют локальные неоднородности подстилающей поверхности вблизи точки приема радиосигнала (горы, холмы, береговая линия, линии электропередачи). Учесть их влняпие можно лишь калибровкой системы непосредственно в месте приема.

В глобальных РНС наземного базирования, работающих в мириаметровом диапазоне радиоволн (СДВ), погрешности измерения РНП связаны с сезонными и суточными изменениями фазы колебаний принимаемых радиосигналов, зависящими от высоты Солнца вдоль трассы распространения. Прогнозировать поправки можно лишь для регулярной составляющей этих изменений. Предсказать воздействие случайных ионосферных возмущений заранее невозможно. Однако, учитывая значительную корреляцию изменений условий распространения в этом диапазоне радиоволн на ближайших расстояниях (над морем до нескольких сотен километров), можно оперативно вводить поправки, вычисляемые на контрольных пунктах и сообщаемые по каналу связи потребителю. Используются также способы автоматического ввода поправок непосредственно при определении местоположения объекта.

Укажите основные способы уменьшения методических и инструментальных погрешностей радиотехнических измерителей.

Какими показателями характеризуется точность измерения РНП?

Как связана погрешность определения поверхностей (линий) положения с погрешностью измерения РНП?

Что такое радиальная погрешность определения местоположения?

Почему эллнпс погрешностей является более полной статистической характеристикой точности местоопределения по сравнению с радиальной погрешностью?

Из каких условий находят границы рабочей зоны РНС? Что такое геометрический фактор РНС и какое практическое значение он имеет?

Какое влияние на точность РНС наземного базирования оказывают условия распространения радиоволн?

Источник

Что такое геометрический фактор в спутниковой навигации

4 Приказом Федерального агентства по техническому регулированию и метрологии от 15 апреля 2014 г. N 355-ст межгосударственный стандарт ГОСТ 32454-2013 введен в действие в качестве национального стандарта Российской Федерации с 1 июля 2014 г.

5 Стандарт подготовлен на основе применения ГОСТ Р 52865-2009

1 Область применения

Настоящий стандарт распространяется на параметры радионавигационного поля для сигнала в пространстве, предоставляемые потребителям при использовании канала стандартной точности глобальной навигационной спутниковой системы Российской Федерации (ГЛОНАСС) с однородным созвездием из спутников «Глонасс-М», и устанавливает технические требования и методы испытаний.

Настоящий стандарт распространяется также на смешанное созвездие навигационных космических аппаратов «Глонасс-М» и «Глонасс-К».

2 Термины и определения

В настоящем стандарте применены следующие термины с соответствующими определениями:

2.1 геометрический фактор ухудшения точности по вектору положения (position dilution of precision): Отношение трехмерной погрешности определения местоопределения в точке нахождения навигационной аппаратуры потребителя к погрешности измерения псевдодальности.

2.2 канал стандартной точности (channel of standard accuracy): Канал, обеспечивающий заданный уровень точности определения местоположения и времени, доступный любому пользователю системы ГЛОНАСС на глобальной и непрерывной основе.

2.3 доступность A (service availability): Готовность спутников в рабочей зоне системы на любом 24-часовом интервале, в течение которого с 95% вероятностью прогнозируемая погрешность местоопределения меньше порогового значения для любой точки рабочей зоны системы, выраженная в процентах времени на определенном временном интервале, в течение которого обеспечиваются заданные условия.

2.3.1 доступность местоопределения по вертикали (vertical service availability): процент времени на любом 24-часовом интервале, в течение которого с 95% вероятностью погрешность местоопределения по вертикали меньше порогового значения для любой точки рабочей зоны системы.

2.3.2 доступность местоопределения по горизонтали (horizontal service availability): Процент времени на любом 24-часовом интервале, в течение которого с 95% вероятностью погрешность местоопределения по горизонтали меньше порогового значения для любой точки рабочей зоны системы.

2.4 доступность Б: Готовность спутников излучать пригодные навигационные сигналы в рабочей зоне системы, обеспечивающие получение потребителем заданных точностных характеристик, выраженная в процентах времени на определенном временном интервале, в течение которого обеспечиваются заданные условия.

2.5 доступность местоопределения по вертикали (vertical service availability): процент времени на любом 24-часовом интервале, в течение которого с 95% вероятностью погрешность местоопределения по вертикали меньше порогового значения для любой точки рабочей зоны системы.

2.6 доступность местоопределения по горизонтали (horizontal service availability): Процент времени на любом 24-часовом интервале, в течение которого с 95% вероятностью погрешность местоопределения по горизонтали меньше порогового значения для любой точки рабочей зоны системы.

2.7 коэффициент готовности навигационного космического аппарата (readiness factor): Вероятность того, что в любой момент времени периода эксплуатации навигационный космический аппарат будет находиться в работоспособном состоянии, обеспечивая непрерывное излучение достоверного радионавигационного сигнала канала стандартной точности.

2.8 местоопределение (position solution): Определение пространственных координат путем псев-додальномерных измерений и использования навигационных сообщений со спутников системы ГЛОНАСС.

2.9 навигационное поле системы ГЛОНАСС (GLONASS system navigation field): Совокупность радионавигационных сигналов в рабочей зоне системы, позволяющая проводить измерения навигационных параметров и определение местоположения, составляющих вектора скорости и времени с требуемым уровнем доступности, надежности и точности.

2.10 навигационное сообщение (navigation message): Информация об эфемеридах, времени, состоянии спутников, представленная в цифровом виде, структура которой соответствует установленной в нормативном документе системы ГЛОНАСС [1].

2.11 надежность навигационного обеспечения (service reliability): Выполнение системой ГЛОНАСС своих функций в течение определенного периода времени при установленных условиях эксплуатации.

2.12 отказ в навигационном обеспечении (service failure): Событие, происходящее в определенный период времени, в течение которого один или более параметров канала стандартной точности навигационного космического аппарата не соответствуют заявленным и потребители не оповещены об этом заранее.

2.13 перерыв в навигационном обеспечении каналом стандартной точности (service degradation): Интервал времени, в течение которого одна или более заявленных характеристик канала стандартной точности не соответствуют заявленным и потребители извещены об этом заранее, измеряется в часах.

2.14 погрешность местоопределения (error of positioning): Разность измеренного и действительного положения потребителя в рабочей зоне системы (измеряется в метрах) с заданным уровнем доступности (эксплуатационной готовности) и надежности (выражается в процентах времени на определенном временном интервале, в течение которого обеспечиваются заданные условия).

2.15 погрешность передачи Всемирного координированного времени государственного эталона Российской Федерации (time transfer accuracy of Russian Federation Universal time coordinated): Разность Всемирного координированного времени государственного эталона Российской Федерации и времени, полученного из вычисления погрешности местоопределения потребителя в рабочей зоне системы с заданным уровнем доступности, надежности и точности, выраженного в наносекундах.

2.16 псевдодальность (pseudorange): Разность между временем приема навигационного сигнала пользователем и временем передачи его со спутника, умноженная на скорость распространения радиоволн в пространстве, измеряется в метрах.

2.17 работоспособный спутник (operational satellite): Спутник системы ГЛОНАСС, способный передавать пригодный радионавигационный сигнал с параметрами и структурой, соответствующими установленным в нормативном документе системы ГЛОНАСС [1] и имеющий подтверждение о его работоспособности в навигационном сообщении.

2.18 рабочая зона системы (service volume): Часть пространства до высоты 2000 км от поверхности Земли, выраженная в процентах, в котором на определенном временном интервале обеспечиваются характеристики канала стандартной точности.

2.19 радионавигационный сигнал (radionavigation signal): Радиосигнал кода стандартной точности, излучаемый навигационным космическим аппаратом и модулированный псевдослучайной последовательностью дальномерного кода, меткой времени и цифровой информацией навигационного сообщения, соответствующего требованиям нормативного документа системы ГЛОНАСС [1].

2.20 сигнал в пространстве (signal in space): Сигнал без учета погрешностей распространения в ионосфере, тропосфере, погрешности приемника, многоканальности и помех.

Погрешность за счет космического сегмента является потенциальной точностью системы ГЛОНАСС при работе в реальном масштабе времени.

3 Обозначения и сокращения

В настоящем стандарте применены следующие обозначения и сокращения:

4 Технические требования

4.1 Общие требования

4.1.1 В процессе местоопределения эталонный приемник выполняет беззапросные измерения псевдодальности по всем видимым НКА системы ГЛОНАСС, а также принимает и обрабатывает навигационные сообщения, содержащиеся в составе спутниковых навигационных радиосигналах. Структуры навигационного сигнала и навигационного сообщения приведены в ИКД системы ГЛОНАСС [1].

Для пересчета параметров эфемерид из навигационного сообщения спутника на моменты измерений используют алгоритмы, приведенные в ИКД системы ГЛОНАСС или эквивалентные им по точности.

4.1.2 Для проведения местоопределения используют сигналы стандартной точности на частоте L1 и L2 с тактовой частотой 0,511 МГц, предназначенные для использования отечественными и зарубежными гражданскими потребителями.

Источник