GPS на земле, на воде, в небе
Журнал "Капитан-Клуб" № 2, 1999
Копия статьи публикуется с согласия редакции.
Эта публикация еще раз затрагивает тему GPS. Статьи в ряде отечественных изданий, к сожалению, не дают достаточной информации об организации системы, о степени точности показаний приемников. Многие судоводители задаются вопросом: можно ли слепо доверять приборам или их следует воспринимать только как дополнение к традиционным методам определения места? И почему яхты, оснащенные этими самыми современными средствами навигации, иногда оказываются на камнях далеко от намеченного курса? Данная статья - это попытка обобщить информацию, которая, по мнению автора, может помочь пользователям GPS.
"Все навигационное оборудование производится и продается лишь как средство помощи в навигации. Пользователь сам ответственен за совершенствование своего навигационного мастерства, независимо от любого, приобретенного им оборудования".
(Из Руководства по эксплуатации.)
Как система GPS устроена и работает
Разработки концепции NAVSTAR GPS (NAVigation Satellite Timing And Ranging Global Positioning System) начались 1973 г. Самые современные на тот момент радионавигационные системы (РНС), наземные Loran-C и Omega и спутниковая (СНС) Transit перестали удовлетворять требованиям военных в отношении точности, всепогодности, круглосуточной работы и зоны охвата. В феврале 1978 г. был запущен первый экспериментальный спутник GPS. О гражданском применении GPS широко заговорили в 1983 г. после катастрофы южнокорейского авиалайнера, сбитого над Курильскими островами. Президент Рейган провозгласил, что система GPS должна стать доступной каждому.
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.
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 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, достаточно для непрерывной навигации в любой точке Земли. Об окончательном вводе системы в эксплуатацию объявили только в июле 1995 г.
В 1996 г. Президент Клинтон подтвердил, что система, работающая на деньги американских налогоплательщиков, и в следующем столетии будет предоставлять свои услуги гражданским пользователям во всем мире. Объявлено, что до 2006 г. режим "ограничения доступа" будет устранен. Президент США сохраняет за собой право снижать точность сигналов GPS в случае угрозы национальной безопасности.
Система GPS состоит из трех частей: космической, наземной и пользовательского оборудования.
Космическая часть - это 24 спутника, вращающихся по 6 орбитам. Наклон орбит к земному экватору - 55 град., угол между плоскостями орбит - 60 град. Высота орбит 20180 км., период обращения - 12 ч. Мощность спутникового передатчика 50 Вт. С вводом в строй усовершенствованных спутников, частые потери сигналов остались в прошлом. Спутники GPS способны, передвигаясь заполнять бреши в системе (если один из них вышел из строя). 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.
Наземная часть GPS состоит из 4 станций слежения, расположенных на тропических островах. Они отслеживают видимые спутники и передают данные на Главную станцию (MCS) управления и контроля на авиабазе в Колорадо-Спрингс для обработки на сложных компьютерных программных моделях. Эти наборы данных называются эфемеридами. Через наземные станции данные передаются обратно на спутники, а затем спутник передает их приемникам GPS.
Сигналы GPS
Все частоты в системе GPS кратны основной частоте часов спутника, 10.23 МГц. Спутник передает сигналы в диапазонах L1=1575.42 МГц и L2=1227.6 МГц. Сигналы содержат два вида информации: "навигационные сообщения" и "псевдослучайный код" (Рис. 1). Код представляет собой последовательность единиц и нулей, на первый взгляд случайную, но изменяющуюся по сложному закону. Псевдослучайный код содержит номер спутника (PRN).
Существуют два вида кода. Гражданские GPS используют C/A (Coarse Acquisition) - код, передаваемый только на частоте L1. Один цикл передачи кода состоит из 1023 бит и повторяется 1000 раз(сек. Военные GPS высокой точности используют P-код (Precise), который передается на обеих частотах, L1 и L2.
Навигационные сообщения передаются со скоростью 50 бит/сек дополнительной модуляцией несущей частоты под псевдослучайным кодом. Каждое сообщение состоит из 25 "порций" (страниц) по 1500 бит . Полный цикл передачи всего сообщения занимает 12.5 мин. Навигационное сообщение включает в себя "эфемеридные данные" и "данные альманаха"; данные о времени в системе GPS и коэффициенты для его пересчета во всемирное время, ключевые слова к P-коду и специальные сообщения. Эфемериды - это данные об исправности спутника и параметры его орбиты - коэффициенты, с помощью которых приемник вычисляет текущее и будущее положение спутника, используя математическую Кеплеровскую модель. Кроме того, эти сообщения содержат коэффициенты поправки к спутниковым часам и к задержке распространения сигнала в ионосфере для пользователей C/A-кода. Альманах - это данные об эфемеридах и состоянии остальных спутников в системе (хранятся в памяти приемника). Благодаря этим данным приемник всегда "знает", где находятся все спутники системы, даже когда он их не видит, и какие спутники лучше использовать для определения координат.
Как приемник GPS определяет свое положение?
 |
 |
Система GPS использует способ определения по дальности до ориентиров-спутников, определяемой с помощью псевдослучайного кода. Для этого приемник генерирует свой внутренний код в то же самое время, чтобы он точно дублировал код спутника. Приемник сравнивает разницу во времени между приемом соответствующей части спутникового кода с такой же частью своего кода. Зная сдвиг по времени и скорость распространения радиоволн, приемник получает расстояние до спутника, называемое псевдодальностью, и по двум расстояниям может определить свое точное положение (Рис 2.) Почему "псевдо"? Проблема в том, чтобы убедиться, что псевдослучайные коды приемника и спутника сгенерированы одновременно. Со стороны спутника тут сложности нет. Часы спутника очень точные и корректируются по сигналам с Земли. Часы приемника менее точны, кроме того, задержки распространения сигнала в ионосфере, тропосфере и т.д. создают суммарную ошибку (Рис.3). Для ее исправления GPS использует измерение дальности от третьего спутника.
При определении двухмерных координат по двум окружностям равных расстояний приемник "не знает", находится ли он на самом деле на них или нет. Например, если часы приемника отстают, истинная позиция будет ближе, но в каждом случае пропорционально ближе к каждому из спутников. Вводя линию положения от 3-го спутника, мы можем получить однозначный результат. Приемник GPS имеет программу, которая берет информацию для трех линий положения и решает её алгебраически. Эти вычисления дают решение трех уравнений для трех неизвестных: долготы, широты и ошибки часов. Вот почему для определения двухмерных координат необходимы как минимум 3 спутника, 4 - для трехмерных.
О точности
Пользователя GPS интересует реальная точность системы; другими словами, насколько близко можно пройти от какой-то навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибки GPS.
Причины ошибок GPS
Режим SA
В мирное время добавляет ошибку в несколько десятков метров; в особых случаях могут вводится ошибки в сотни метров. (Правительство США отвечает за работоспособность системы перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.) 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. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что, в некоторой степени, оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.
Задержки распространения радиоволн в ионосфере и тропосфере
Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу она изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Ошибки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом: чем ниже спутник, 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. (Еще атмосферные помехи зависят от времени суток: после захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается (явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам).
Влияние отраженного сигнала (Multypath)
Кроме прямого сигнала от спутника приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов. Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник "думает", что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Эти ошибки много меньше 100 м, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.
 Спутниковая геометрия
Зависит от расположения относительно приемника спутников, по которым определяется позиция. Если приемник "поймал" четыре спутника, и все они находятся на севере, то спутниковая геометрия плохая. Результат - ошибка до 90-150 м. или даже невозможность определения координат. (Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область их пересечения, слишком велика; рис.4)
С теми же 4-мя спутниками точность намного возрастает, если они расположены равномерно по сторонам горизонта. В этом случае, даже с SA, точность достигает 30 м. и выше.
Спутниковая геометрия измеряется фактором PDOP (Position Dilution Of Precision) или HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP=1; большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. PDOP используется как множитель для других ошибок. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, SA, отраженного сигнала и т.д. Так, если предполагаемые значения этих ошибок в сумме составляют 50 м. и PDOP=1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет 75 м.
Приемники GPS по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP. Кроме HDOP, используется GQ (Geometric Quality, величина, обратная HDOP) или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают EPE (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. EPE учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемый в составе эфемеридной информации.
Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS внутри транспортных средств, в густом лесу, в 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 показывает не только, какие спутники используются, но и где они находятся (азимут и возвышение над горизонтом), так что Вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника. На рис.5 показан пример плохого расположения спутников на дисплее GPS: спутники № 22, 01 и 09 не видны. В такой ситуации можно ожидать больших ошибок долготы; широта, вероятно, будет определена достаточно точно.
Количественная оценка точности
Простой тест, чтобы наглядно увидеть точность Вашего приемника GPS - периодическая запись показаний неподвижного приемника за достаточно большой период времени. Например, раз в 2 мин. в течении суток. Это проще сделать, если есть плоттер или компьютер, подключенный к GPS. Проложив полученные координаты на планшете, получаем картинку, подобную рис. 7.
 Считается, что распределение позиции GPS достаточно хорошо соответствует нормальному (Гауссову) закону. То есть для большего числа измерений смещение или систематическая ошибка равна нулю. Гражданская GPS обеспечивает точность без SA 15 метров RMS, а в режиме SA 2DRMS=100 м. Что это означает? RMS (Root Mean Square) - квадратный корень из суммы квадратов отклонений по долготе и широте, разделенный на число измерений. В круг радиусом RMS попадает 65% точек. 2DRMS означает удвоенное RMS. Для пространственного двухмерного распределения Гаусса в интервал плюс-минус 2DRMS попадает от 95% точек, если распределение эллиптическое (различные ошибки по широте и долготе), при круговом распределении - до 98%. Распределение позиции GPS становится эллиптическим, если небо с одной из сторон закрыто для сигналов.
GPS и "Проблема-2000"
Руководство GPS обещает, что все наземные службы будут полностью подготовлены, и на передаче спутниковых сигналов эта проблема не отразится. Другое важное событие в системе GPS, известное как "GPS system time rollover", произойдет в полночь с 21 на 22 августа 1999 г., когда завершится 1024-недельный цикл, по которому изменяются навигационные сообщения спутников, и отсчет начнется заново.
Изготовители большинства современных приемников заявляют о защищенности своих изделий от этих проблем, но для большей безопасности, владельцам старых моделей GPS рекомендуется проконсультироваться у поставщиков. Автор полагает, что после полуночи 22 августа и 31 декабря 1999 г. (по Гринвичскому времени) следует единовременно убедится в правильности показаний GPS по другим средствам навигации. Особенно, если приемник покажет неправильную дату или время.
Заключение
Большую часть времени GPS обеспечивает высокую точность, в пределах нескольких десятков метров, что вполне достаточно для навигации в обычных условиях. Но для пользователя важно, что в отдельные моменты возможны отклонения до кабельтова и больше. Вероятность таких ошибок крайне мала, но пренебрегать ею не следует. Всегда рекомендуется пользоваться более чем одним средством навигации. Принимая решение о степени доверия к показаниям GPS, можно учесть следующие признаки:
- информация приемника о расположении спутников. Максимальные ошибки возможны при неблагоприятном сочетании наибольших значений факторов, влияющих на точность и, в первую очередь, спутниковой геометрии. На Вашем приемнике, обычно показывавшем EPE 20-40 м, появилось 60 м и более.);
- видимость неба над антенной приемника;
- изменение позиции GPS за предшествующий период (прокладка, выполняемая в крупном масштабе).
- соответствие курса и скорости по GPS показаниям компаса и лага.
- наличие предметов, отражающих сигнал.
Дополнительно уместно сказать, что координатные системы карт (Map Datum) связаны с разными моделями земного эллипсоида, используемыми при построении карт в различных странах. Разница между ними может достигать 500 м. При работе с GPS и картой пользователь должен учитывать это и делать соответствующие поправки.
И последнее. До этого рассматривалась только точность показаний самого приемника GPS. А максимальные ошибки навигации с использованием GPS суммируются из максимальных ошибок всей цепочки: спутники - приемник - пользователь - карта - пользователь.
За помощь в подготовке материала автор благодарит фирмы "НАВИКОМ", "ТРАНЗАС МАРИН", "АЛЬТАИР" и мистера Питера Дана, (Университет штата Техас), (www.host.cc.utexas.edu.ftp?pub/grg/gcraft/notes/gps/gps.html).
Публикация подготовлена по материалам сети Интернет и Dahl, Bonnie. The User's Guide to GPS - The Global Positioning System. Richardson Marine Publishing, 1993.
Александр Самойлов
|
