13.04.12

Будущее спутниковой навигации

На сайте insidegnss.com размещена статья Оливье Часанжа, члена европейской коммисси, в которой объясняются основы технологии precise point positioning (PPP), прецизионного точечного позиционирования. В настоящее время она доступна с помощью наземного сегмента GPS-систем. Веб-сайты предлагают поправки в реально времени для гражданских пользователей. Но почему спутниковый сегмент до сих пор не предлагает этот сервис?

Навигационное сообщение всегда рассматривалось как неотъемлемая часть глобальных навигационных спутниковых систем. Его главная цель — предоставить приемникам информацию о об ошибках спутниковых часов и параметров для расчета положения спутников, а также других параметров, обеспечивающих более точное измерения расстояния. Однако архитектура глобальной системы местоопределения (GPS), которая подобна (но не эквивалентна) другим ГНСС, рассматривается только в момент расчета дальности на основе кода и лишь когда спутники находятся на связи с наземным сегментом.

С момента появления GPS технологии эволюционировали, и архитектура ГНСС также должна развиваться, учитывая следующие обстоятельства: большинство приемников сегодня способны производить не только измерения кода, но и измерения фазы. Второе действие более точное, но требующее большей вычислительной мощности. Ожидаемая эволюция ГНСС даст возможность приемникам достичь точности в несколько сантиметров в реальном времени, всегда и везде. Технология, стоящая за этой эволюцией уже готова, и способна увеличить существую точность в 100 раз.

Такое изменение будет иметь такое же значение и как и отмена избирательной селективности GPS в 2000 году, вносящей намеренную ошибку в открытый сигнал с целью снизить точность гражданских приемников, в то время как военные использовали более точный зашифрованный P(Y)-код. В этой статье объясняются возможности PPP, прецизионного точечного позиционирования, и обосновывается необходимость внедрения PPP операторами ГНСС.

Неутомимое стремление к большей точности

В начале хочется обратить внимание гражданских пользователей на то, что открытая служба GPS не является отдельной службой, но скорее составной частью службы для военных. Все военные приемники использует код стандартной точности C/A для того, чтобы синхронизировать свое часы и затем отслеживают и принимают зашифрованный военный сигнал P/Y.

Таким образом, первоначальным интересом Министерства обороны США было отнюдь не предоставление бесплатной публичной службы для человечества. Однако уровень развития криптологии и электроники в период проектирования GPS вынудил сделать сигнал открытым. С тех пор, конечно, были разработаны методы, позволяющие военные получить прямой доступ к P/Y-коду без захвата сигнала стандартной точности.

Когда GPS была введена в эксплуатацию, однако, точность открытой службы оказалась выше ожидаемой, что первоначально рассматривалось как угроза национальной безопасности США. МО США искусственно снизила точность с помощью вышеупомянутой избирательной селективности, которая начала применяться во время войны в Персидском заливе и Боснии. Со временем недостатки глобального ухудшения сигнала превзошли ожидаемые тактические преимущества. Кроме того, многие гражданские эксперты в области навигации нашли способы устранить эту погрешность.

Отмена избирательной селективности в мае 2000 года стало временем использования открытой службы в продуктах для массового рынка, первоначально для наземной навигации. Это решение оказалось полезные в целом ряде применений спутниковой навигации, поскольку до 2000 года точности GPS было недостаточно для автомобилей. С 2000 года МО постепенно улучшало точность GPS, и открытой, и военной службы. Улучшение точности уже не рассматривалось как угроза безопасности. В любом случае Министерство обороны США может временно подавить сигнал в месте военных действий, чтобы защитить себя и своих союзников от оружия, использующего спутниковую радионавигацию.

Историческая зависимость от вспомогательных систем

Даже когда, МО увеличило точность GPS-позиционирования до номинальной (3-4 метра для отдельного приемника), ее было недостаточно для многих пользователей. Точность ГНСС снижается из-за различных ошибок, возникающих вследствие работы спутниковый системы и физических особенностей Земли (например, преломление и затухание сигналов, проходящих сквозь тропосферу и ионосферу). Сумма эти ошибок может быть легко вычислена в любой точке земного шара, если с высокой точностью известны координаты приемника, но она действительна только для незначительной области в течение небольшого периода времени.

Поправки, предоставленные базовыми станциями, значительно улучшили точность позиционирования со времени появления GPS. Этот метод часто называют «дифференциальная GPS», но мы в дальнейшем будем называть его «дифференциальная вспомогательная система».

Большинство публичных инициатив связаны с дифференциальными вспомогательными системами, которые зарекомендовали себя как полезное дополнение открытой службы. Некоторые картографические агентства разрабатывают дифференциальные службы национального масштаба, используя сеть наземных базовых станций, которые передают поправки. Управления гражданской авиации разработали системы уровня континента, передающие поправки через геостационарные спутники:

* WAAS – Широкозонная вспомогательная подсистема, разработанная Федеральным управлением гражданской авиации США и эксплуатирующаяся с 2005 года;

* EGNOS – Европейская геостационарная служба навигационного покрытия, разработана Европейским союзом, запущена в марте 2011 для потребностей гражданской авиации;

* MSAS – Многофункциональная спутниковая вспомогательная подсистема, управляется Японией, введена в эксплуатацию в сентябре 2007 года.

Различные коммерческие дифференциальные вспомогательные системы могут достичь уровня точности от 1 метра до 10 сантиметров. Но такой уровень точности все еще недостаточен для целого ряда отраслей, а имеено геодезии, астрономии и управления механизмами в горнодобывающей промышленности и сельском хозяйстве. Чтобы достичь точности больше чем 10 см спутниковая навигация вынуждена прибегать к сложной физике, относящейся к распространению радиоволн и характеристикам сигналов в пространстве. Точность позиционирования прямо пропорциональная точность измерения дальности от спутника до приемника и также очень зависит от точности расчета положения спутников и ошибки их часов.

Первые GPS-приемники массового производства могли только измерять код и связанное навигационное сообщение. Современные приемники способны определять фазу. Для того, чтобы рассчитать неизвестное смещение фазы, на протяжении последних 15 лет использовалось два главных подхода:

* дифференциальные поправки от базовых станций — RTK, кинематика в реальном времени;

* получение новой и лучшей информации о положении и ошибке часов спутников — PPP, прецизионное точечное позиционирование.

Оба подхода имеют достоинства и недостатки, которые всесторонне описаны в профессиональной литературе и мы кратко суммируем их:

* RTK предоставляет мгновенное высокоточное решение в статическом и динамическом режимах, но только в близости от базовой станции, точное положение которой известно. Эта технология предполагает канал связи между базовой станцией и приемником и используется целым рядом коммерческих сервисов, предлагаемыми частными компаниями такими как NavCom Technology, OmniSTAR и Veripos.

* PPP первоначально использовалось в режиме пост-обработки с помощью сервера, получающего данные от движущегося приемника и имеющего информацию о точной позиции и погрешности часов спутников. Некоторые общественные организации предоставляют такую информацию практически в реальном времени через интернет-сайты, поэтому пост-обработка может также проводится в реальном времени. Уточнение сигнала в реальном времени может проводится благодаря вещанию эфемерид и погрешности часов навигационных спутников с помощью геостационарных космических аппаратов. Один из недостатков заключается в том, что уточнение в реальном времени требует времени на подготовку (также время сходимости), которое составляет для приемника около 30 минут.

Эти два метода можно выразить очень просто (где «точное положение» означает позиционирование на основе измерений кода и фазы, что точнее, чем измерения лишь по коду):

* RTK: «Скажи мне точное положение твоей базовой станции, и я скажу тебе точное положение твоего мобильного приемника».

* PPP: «Скажи мне точное положение навигационных спутников, и я скажу тебе точное положение твоего мобильного приемника».

Основной недостаток прецизионного точечного позиционирования, а имеено время сходимости для приемника) может быть преодолен благодаря следующим действиям:

* Естественное увеличение вычислительной мощности (по закону Мура) в будущем поможет снизить время сходимости.

* Доказано, что использование нескольких созвездий для PPP может снизить время сходимости.

* Использование более чем двух частот также поможет снизить время сходимости.

Два вышеупомянутых метода разрабатываются на протяжении времени. Например, RTK использует несколько базовых станций вместо одной. PPP использует одну, две или три навигационные частоты и/или одно или больше созвездий, включая моделирование смещения спутников.

Однако оба метода имеют нечто общее: оба устраняют неспособность навигационного сообщения современных глобальных навигационных спутниковых систем дать возможность приемнику использовать измерения фазы. Архитектура навигационного сообщения спроектирована с целью предоставить действительные параметры орбиты и погрешности часов в течение длительного времени (обычно от одного до трех часов). Этого достаточно для позиционирования на основе измерений кода, но не для измерения фазы.

Оба метода предлагают эквивалентную точность. В добавок, они не являются взаимоисключающими и могут сочетаться. Однако только PPP предлагает глобальное и автономное дифференциальное решение (т. е. без поддержки базовой станции). Именно поэтому можно ожидать, что этот метод станет следующим шагом в спутниковой навигации.

Возможности передачи поправок для PPP

Вопрос, который должно быть появился в умах читателей заключается в следующем: почему навигационный сигнал не может включать требуемую точную информацию о положении спутников и погрешности часов, которая позволила бы использовать позиционирование с помощью измерений фазы?

Есть две причины текущей ситуации. Во-первых, наземная инфраструктура ГНСС не рассчитана на непрерывную передачу поправок на спутники; вместо этого данные загружаются периодически. В любом случае, операторы этих систем не предоставляют эфемериды и погрешность часов в реальном времени. Не потому, производить такие расчеты технически невозможно, а скорее потому, что не осознают необходимость в этом или не имеют провайдера для выполнения этого.

К счастью, другие организации, такие как Международная служба ГНСС (IGS) с большим количество станций слежения предоставляют эти данные. Французское космическое агентство, CNES, разработало проект PPP-WIZARD, устраняющий неопределенность фазы с помощью метода определения орбиты. Специфичность ситуации заключается в том, что поправки для PPP доступны бесплатно через интернет, но доступны через каналы спутниковой связи лишь для ограниченного количества пользователей, способных заплатить за международный сервис, для которого требуется около 10 геостационарных спутников.

Точка зрения автора статьи заключается в том, что поправки для PPP должны стать неотъемлемой частью навигационного сообщения всех сигналов ГНСС, в идеале бесплатно, так что корректировки де факто станут публичной информацией.