Полная версия

Главная arrow Техника arrow Беспроводные технологии на автомобильном транспорте. Глобальная навигация и определение местоположения транспортных средств

  • Увеличить шрифт
  • Уменьшить шрифт


<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>

ПОГРЕШНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ РЕШЕНИЙ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ

Основная тенденция развития технологий спутниковой радионавигации (в том числе программно-аппаратных средств) связана с поиском методов и средств снижения погрешностей навигационных решений [3, 16]. В первую очередь это достигается привлечением избыточных измерений (принятием информации от возможно большего числа навигационных спутников, совместной обработкой навигационных измерений и т.д.). В то же время необходимо иметь в виду, что результирующая погрешность определения местоположения определяется совместным влиянием погрешностей, имеющих различную физическую природу.

Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность GPS может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках так называемого режима SA (Selective Availability — ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда этот режим установлен, он создает наибольшую компоненту суммарной погрешности GPS.

Принято считать, что основными факторами, влияющими на точность определения местоположения ГНСС, являются следующие (рис. 2.12):

  • • ионосферные и тропосферные задержки. По мере прохождения атмосферы сигнал замедляется;
  • • ошибка часов приемника;
  • • многолучевой прием;
  • • геометрия видимых спутников, определяемая взаимным расположением спутников в каждый момент времени;
  • • эфемеридные ошибки, т.е. погрешности знания положений и скоростей движения навигационных спутников (погрешности в среднем составляют 1—2 м для GPS, 5—7 м для ГЛОНАСС);
  • • собственные шумы навигационных приемников (до 1—2 м);
  • • намеренное загрубление сигнала. Программа избирательной доступности (БА).

Ошибки

часов

спутника |

Ошибки

траектории

Источники ошибок определения местоположения

Рис. 2.12. Источники ошибок определения местоположения

Рассмотрим каждый из указанных факторов более детально.

На спутниках, как было сказано, размещены высокоточные атомные часы. Часы приемников не столь точны, поэтому постоянно проводятся дополнительные измерения для устранения любой ошибки, которую могли бы иметь часы приемника. Спутники почти ежеминутно передают поправки к своему орбитальному положению.

Наиболее существенные погрешности возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли — слоя заряженных частиц на высотах от 50 до 1000 км. Эти частицы заметным образом влияют на скорость распространения радиоволн.

Ионосферные и атмосферные задержки. Как бы совершенна ни была система, существуют два источника погрешностей, которые очень трудно избежать. Самые существенные из них возникают при задержке радиосигнала в ионосфере (слое заряженных частиц на высоте 120—200 км) и тропосфере (8—18 км) Земли (рис. 2.13).

Скорость света определяется как константа только для вакуума, который существует в глубоком космосе. Но когда радиосигнал проходит через более плотную среду, например через слой заряженных частиц, эти частицы существенным образом влияют на скорость распространения радиосигнала, скорость его распространения уменьшается. Это, в свою очередь, делает невозможными вычисления расстояний до спутников, поскольку они построены на предположении о том, что скорость распространения радиоволн строго постоянна.

Величина задержек непостоянна и зависит от солнечной активности и погодных условий.

Безвоздушное пространство

Распространение сигнала

Ионосфера

Тропосфера

Траектории движения сигналов в ионофере и тропосфере

Рис. 2.13. Траектории движения сигналов в ионофере и тропосфере

Сложности при приеме сигнала вызваны главным образом тем, что радиоволны на своем пути преодолевают ионосферу Земли, которая представляет собой плазменное облако, образованное Солнечным ветром. Ее границы простираются от 70 до 1300 км над поверхностью Земли, и при прохождении через ионосферу радиосигналы ослабляются и искажаются. В ночное время, когда ионосфера находится в состоянии покоя, погрешность измерения, связанная с задержкой передачи сигнала, составляет 1 м, а днем, когда активность плазмы высока, — более 10 м.

Для того чтобы минимизировать влияние ионосферы, в настоящее время используют дифференциальный метод определения местоположения (D-GPS). В такой схеме используются два приемника: один мобильный, а второй находится в точке с известными координатами. Данные, поступающие с этих GPS, сравниваются и обрабатываются, после чего происходит корректировка показаний мобильного приемника. Чем ближе друг к другу находятся мобильный и стационарный приемники, тем точнее определяются координаты мобильного приемника.

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°. Также атмосферные помехи зависят от времени суток. Поскольку ионизация в основном вызвана воздействием солнечного излучения (только днем), то после захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается (явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам). Кроме того, уровень ионизации варьируется и в зависимости от места: на экваторе она максимальна.

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы минимизировать ошибку, связанную с влиянием атмосферы.

Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний. Дело в том, что когда радиоволна проходит через ионосферу, возникает запаздывание в ее распространении: задержка сигнала, обратно пропорциональная квадрату частоты излучения. Следовательно, чем ниже несущая частота сигнала, тем больше он замедляется. Таким образом, ошибки определения псевдодальности обратно пропорциональны квадрату несущей частоты:

&0 = к// (2.13)

где Д/) — ошибка определения ПД за счет ионосферы, м; к — некий коэффициент пропорциональности, не зависящий от частоты; / — частота, Гц.

Более точно ошибка определения ПД за счет ионосферы с помощью измерений на двух частотах определяется по формуле

^=ЩТГ7Г-’ <2-|4>

/| /2

где ДТ(0Я — ошибка определения ПД за счет ионосферы, м;/,,/2 — частоты сигналов, Гц; Т,, Т2 — псевдодальности, измеренные на частотах/,,/^ м.

Таким образом, если мы сравним время распространения двух разночастотных компонент радиосигнала, то можно выяснить, какое имелось замедление. Этот метод корректировки довольно сложен и используется только в наиболее совершенных, «двухчастотных» навигационных приемниках. В них большая часть погрешности от ионосферной задержки может быть устранена.

После того как сигналы пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в которой происходят все погодные явления. Наибольшее воздействие на распространение сигнала оказывает тропосфера. Тропосфера является атмосферным слоем, расположенным на высоте 0—10 км над поверхностью Земли. Возникновение ошибок здесь обусловливается изменением плотности молекул газа и влажности воздуха. Плотность уменьшается с увеличением высоты. Увеличение плотности или влажности замедляет скорость распространения сигналов спутника.

Ошибки по величине схожи с ошибками, вызываемыми ионосферой, но их почти невозможно скорректировать. Для коррекции данного эффекта используется простая модель на основе стандартной атмосферы: давления (Р) и температуры (7). Их суммарный вклад в погрешность местоположения невелик, значительно меньше, чем ширина обычной улицы.

Погрешности в распространении сигнала за счет ионосферных и тропосферных искажений (влияние геофизических полей) составляют в среднем от 10 до 40 м. Устраняются, как было показано, путем использования дополнительных частот передачи данных.

Начиная с 2005 г. спутники передают дополнительные сигналы, которые помогают исключить помехи от ионосферы. По два сигнала добавлены к военным Ы и Ь2, и один — к гражданскому Ы. Следующий этап совершенствования системы начался в 2008 г. Спутники передают еще один гражданский сигнал Ь5, который является в пять раз более мощным. Сдвоенный сигнал позволяет минимизировать влияние ионосферы. вРЗ-приемники сравнивают искажения двух сигналов, внося необходимые коррективы в расчеты.

Ошибка часов приемника. Расхождение шкал времени и нестабильность бортовых генераторов в навигационных спутниках и аппаратуре потребителя вносят дополнительную погрешность в навигационные определения. Как бы точны ни были атомные часы на спутниках, все же и у них имеются небольшие погрешности. Наземные службы следят за этими часами и могут «подвести», т.е. сверить их, если выявится хотя бы незначительный уход. Но даже при этом возникающие иногда небольшие неточности заметно увеличивают результирующие погрешности определения местоположения. Аналогично атомным часам на спутниках приемники на Земле тоже могут дать сбой. Компьютер приемника может допустить ошибку, округлив результат математической операции. Электрические помехи также могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов. Обычно погрешности этого рода бывают или очень маленькими, или очень большими. Большие легко определяются, поскольку они очевидны. Труднее обнаружить малые отклонения в процессе вычислений. Но и они могут привнести несколько долей метра неопределенности в координаты местоположения. Ошибки подобного рода устраняются за счет синхронизации шкал времени и частот генераторов в навигационных спутниках усилиями наземного сегмента ГНСС и введением поправки — дополнительной определяемой переменной при поиске навигационного решения.

Ошибки многолучевости (влияние отраженных сигналов). Погрешности от многолучевости распространения радиоволн порождаются переотражением радиоволн от рядом находящихся объектов (МиЙураШ). Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно отражаются от окружающих предметов и поверхностей, таких как высокие здания или скалы, до того, как попадут на антенну приемника. В результате сигнал спутника проходит к приемнику не по прямой линии, как тому следует быть, а совершает «окольный путь» (рис. 2.14). В результате этого эффекта время распространения отраженного сигнала превышает время «прямого» сигнала. Поэтому приемник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле.

Увеличение времени прохождения отраженного сигнала приводит к возникновению ошибки. Отметим, что эти ошибки много меньше 100 м, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо. Кроме того, искажение сигнала может произойти из-за интерференции прямого и отраженных сигналов. Таким образом, ошибки многолучевости можно одновременно отнести и к категории ошибок, связанных с распространением навигационного сигнала, и к ошибкам приемника. Если уровень переотраженного сигнала выше уровня «прямого» сигнала, то происходит ошибочный «захват», и в результате вносится ошибка в вычисления расстояния до спутника.

В современных приемниках применяются усовершенствованная техника обработки сигналов и специальные антенны для сведения к минимуму этой проблемы. Следует учесть, что все источники погрешностей, которые до сих пор обсуждались, суммируются и придают каждому местоположению некоторую неопределенность.

Геометрия расположения спутников. Точность, с которой позиция может быть определена, зависит, с одной стороны, от точности измерений, а с другой — от геометрической конфигурации используемых спутников. Для достижения наибольшей точности в хорошем навигационном приемнике определяется некоторый «геометрический фактор», названный Geometric Dilution of Precision — GDOP» (геометрический фактор понижения точности). Иногда его называют PDOP (Position Dilution Of Precision) (рис. 2.15). Геометрический фактор определяет относительное расположение приемника и спутников, используемых в расчете определения местоположения

PDOP = 1,5

PDOP = 5,7

транспортных средств. Его величина влияет на точность определения местоположения ТС. Идеальному расположению спутников соответствует PDOP < 1; большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии. PDOP используется как множитель для других ошибок.

Влияние GDOP на точность определения местоположения весьма высоко. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, отраженного сигнала и т.д. Так, если значения этих ошибок в сумме составляют, предположим, 50 м, то для GDOP = 1,5 ожидаемая ошибка определения места будет 75 м. Значение DOP является величиной, обратной по отношению к объему четырехгранника, образованного позициями спутника и пользователя. Наилучшее геометрическое расположение — при максимальном объеме и, следовательно, минимальном PDOP.

В зависимости от взаимного расположения спутников на небосводе геометрические соотношения, которыми характеризуется это расположение, могут многократно увеличивать или уменьшать все неопределенности, о которых мы только что говорили. Поясним это графически. На рис. 2.16, 2.17 местоположение объекта определялось с помощью окружностей, центры которых совмещены со спутниками. Поскольку каждое измерение содержит в себе не-

Область неопределенности при нахождении спутников

Рис. 2.16. Область неопределенности при нахождении спутников

на большом расстоянии друг от друга

большую неопределенность, окружности следует изобразить размытыми. Полоски размытости есть «области неопределенности». То, что ранее было точкой местоположения X, теперь превращается в небольшой четырехугольник. И можно утверждать лишь то, что приемник должен находиться где-то внутри этого четырехугольника.

В зависимости от угла между направлениями на спутники область пересечения размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может быть или небольшим квадратиком, или большим вытянутым четырехугольником. Этот факт и является содержанием понятия «геометрический фактор понижения точности».

При захвате приемником спутников, находящихся достаточно близко друг к другу, область неопределенности становится больше. Таким образом, если все спутники расположены примерно в одном направлении от приемника, то площадь пересечения окружностей будет достаточно большой, и точность определения местоположения снижается. Эта площадь характеризует величину неопределенности измерений, влияющих на точность подсчета.

Лучшей является такая геометрия спутников, когда углы между направлениями на них большие. Плохой считают такую геометрию, когда спутники располагаются на одной линии или близко к ней. Иными словами, чем больше угол между направлениями на спутники, тем точнее измерения. Например, если приемник выбрал четыре спутника, и все они находятся на севере, то спутниковая геометрия плохая. При этом ошибка определения местоположения будет велика.

Исходя из этого хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четыре наилучшим образом расположенные спутника, для которых протяженность «прямоугольника неопределенности» в текущий отрезок времени минимальна.

Возможен вариант, когда определение координат вообще невозможно, при этом все четыре измерения из одного и того же направления и область их пересечения весьма значительны. С теми же четырьмя спутниками точность намного возрастает, если они расположены равномерно по сторонам горизонта. В этом случае, даже с SA, точность достигает 30 м и выше.

Различают следующие варианты записи геометрического фактора: • PDOP (Position Dilution of Precision) — позиционная DOP (позиция в 3D-пространстве), определяет влияние геометрии созвездия спутников на определение пространственной ошибки;

  • • HDOP (Horizontal Dilution of Precision) — горизонтальная DOP (позиция на плоскости) определяет влияние геометрии созвездия на определение ошибки на горизонтальной плоскости. Кроме HDOP, используется GQ (Geometrie Quality, величина, обратная HDOP);
  • • VDOP (Vertical Dilution of Precision) — вертикальная DOP (только высота), определяет влияние геометрии созвездия на определение ошибки по высоте;
  • • TDOP (Time Dilution of Precision) — позиция в 3D-пространстве, девиация времени в решении, определяет влияние геометрии созвездия на определение ошибки правки в бортовой шкале времени.

Приемники GPS по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP. В частности, возможна также качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают ЕРЕ (Estimated Position Error — ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах расстояния. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемый в составе эфеме-ридной 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 (а их число покажет, может ли позиция вообще быть определена).

Геометрический фактор уменьшается с увеличением числа наблюдаемых навигационных спутников. Основным показателем геометрического фактора является PDOP. Зависимость качества навигационного решения от значения PDOP показана в табл. 2.1.

Следует отметить, что в GPS обращение спутников синхронно с вращением Земли, поэтому в определенных точках земной поверхности в одно и то же время суток созвездие навигационных спутников создает одинаковый геометрический фактор, и могут существовать области с постоянным пониженным значением геометрического фактора. Этого недостатка нет в ГЛОНАСС, где выбранная высота орбиты создает непрерывное изменение конфигурации созвездий навигационных спутников над одним и тем же географическим местом для одного и того же времени, периодически повторяясь через каждые семь суток.

Таблица 2.7

Зависимость качества навигационного решения

от значения DOP [3,16]

Значение

PDOP

Точность

Описание

< 1

Идеальная

Рекомендуется к использованию в системах, требующих максимально возможной точности во все время их работы

2-3

Отличная

Достаточная точность для использования результатов измерений в достаточно чувствительной аппаратуре и программах

4-6

Хорошая

Рекомендуемый минимум для принятия решений по полученным результатам. Результаты могут быть использованы для достаточно точных навигационных указаний

7-8

Средняя

Результаты можно использовать в вычислениях, однако рекомендуется озаботиться повышением точности, например, выйти на более открытое место

9-20

Ниже среднего

Результаты могут использоваться только для грубого приближения местоположения

21-50

Плохая

Выходная точность ниже половины футбольного поля. Обычно такие результаты должны быть отброшены

Число видимых спутников. Типичная точность определения координат навигационными приемниками в горизонтальной плоскости составляет примерно 1—2 м (при условии хорошей видимости небосвода). Точность определения высоты над уровнем моря обычно в 2—5 раз ниже, чем точность определения координат в тех же условиях (т.е. в идеальных условиях — 2—10 м).

Уровень приема сигнала от спутников, а, как следствие, и точность определения координат, ухудшается под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Также нормальному приему сигналов могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников.

Однако главным фактором, влияющим на снижение точности определения местоположения, является неполная видимость небосвода. Особенно заметно это проявляется при нахождении приемника в условиях плотной городской застройки, когда значительная часть небосвода скрыта расположенными рядом строениями, навесами и прочими препятствиями (см. рис. 2.14). Точность определения координат при этом может падать до 20—30 м, а иногда и более. Препятствия не пропускают сигналы от части потенциально доступных в данной точке Земли спутников. Это приводит к тому, что расчеты ведутся по меньшему числу сигналов от спутников, находящихся преимущественно в одном секторе небосвода. Смещение при этом возникает обычно в перпендикулярной плоскости относительно препятствия.

Вообще, если говорить о точности определения местоположения в условиях города, то на основе накопленных статистических данных можно сделать следующие выводы:

  • • точность определения координат при нахождении транспортного средства на открытой местности (парковки, площади и пр.) и при движении по крупным автомагистралям, многополосным дорогам будет составлять 1—2 м;
  • • при движении по узким улицам, особенно когда вдоль них имеются близко расположенные дома, точность составит 4—10 м;
  • • при нахождении автомобиля в «дворовых колодцах», очень близко к высотным домам и т.п., точность может падать вплоть до 20—30 м.

Намеренное загрубление сигнала GPS. Программа избирательной доступности (Selective Availability, SA) Министерства обороны США предусматривала намеренное внесение ошибки в сигнал GPS. Существует техническая возможность умышленного снижения точности определения местоположения путем добавления ошибки в несколько десятков метров; в особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Введение подобной ошибки достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Это так называемый режим ограничения доступа SA, искусственно снижающий точность гражданского GPS.

Целью этой программы было предотвращение возможного использования гражданских GPS-приемников в военных целях. Когда этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS. В мае 2000 г. правительство США выключило режим SA, что повысило точность гражданских GPS-приемников со 100 до 15 м.

Ошибки, возникающие от SA, являются случайными и равновероятными в каждую сторону. SA влияет также на точность определения курса и скорости. По этой причине неподвижный приемник может показывать слегка изменяющиеся величины скорости и курса. Так что в некоторой степени оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Естественно, точность определения координат очень зависит и от качества самого навигационного приемника, а также используемых антенн и их правильного размещения на транспортном средстве. Хороший навигационный приемник показывает не только какие спутники используются, но и где они находятся (азимут и возвышение над горизонтом), так что можно определить, затруднен ли прием данного спутника.

Для уменьшения влияния ошибок измерения используются различные технические решения, причем часто их применяют комплексно. Основными из них считаются следующие:

  • 1) измерение двойной частоты. Для этого применяются навигационные приемники, которые способны измерять сигналы на двух частотах — L1 и L2. Известно, что радиосигналы разной частоты при прохождении через ионосферу замедляются, причем замедление сигнала обратно пропорционально квадрату его частоты. Сравнивая полученные времена обоих сигналов, можно определить их задержку в атмосфере и, следовательно, эффект ионизации. Таким образом, результат совместного наблюдения за L1/L2 сигналами используется для компенсации эффекта ионосферы;
  • 2) геофизические корректирующие модели. Такие модели используются для первичной компенсации эффектов ионосферы и тропосферы. Корректирующие факторы применяются только в специальных и ограниченных областях;
  • 3) выбор места и времени измерения. Используется для улучшения видимости или линии прямого контакта со спутниками за счет улучшения DOP-фактора;
  • 4) Differential GPS (DGPS) — дифференциальная навигация. Для этого используются одна или нескольких неподвижных базовых станций, координаты которых известны и определены с высокой точностью. Полученные на них корректирующие поправки передаются мобильным пользователям. Оценка коррекционных данных от этих станций возможна как после предварительной обработки, так и в режиме реального времени (Real Time, RT).

Ниже приводится количественная оценка вклада каждого из источников погрешностей в общую погрешность определения местоположения [16].

Источники ошибок (типичные) погрешности, м

Погрешности часов спутника 0,6

Эфемеридные погрешности 6

Погрешности приемника 1,2

Ионосферные и тропосферные задержки Наибольшие погрешности от Э/А (если режим установлен) 7,6

3,7

Суммарная погрешность (среднеквадратичная, в зависимости от установки 8/А-режима) от 4,6 до 9,1

Для вычисления действительной погрешности следует умножить приведенную выше суммарную погрешность на геометрический фактор вООР.

Величина вООР при хороших условиях находится в диапазоне от 4 до 6. Таким образом, реальная погрешность, которую можно ожидать, могла бы быть:

  • • типичная, при хорошем приемнике — от 18 до 30 м;
  • • наихудший случай — 60 м;
  • • при установленном Э/А-режиме — 105 м.

Контрольные вопросы

  • 1. Какие сегменты входят в состав глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС?
  • 2. Как обеспечивается взаимная временная привязка спутников и приемников?
  • 3. Как влияет погрешность часов приемника на точность определения местоположения объекта?
  • 4. Каковы точность бортовых часов и их количество на борту каждого НКА?
  • 5. Как осуществляется поэтапное решение задачи определения местоположения объекта?
  • 6. Какие основные факторы влияют на погрешности навигационных решений спутниковых систем?
 
<<   СОДЕРЖАНИЕ   >>