Широкозонная система спутниковой дифференциальной навигации (теоретический аспект)

Московский государственный университет

геодезии и картографии (МИИГАиК)

Аспирант Е.И.Суницкий

Широкозонная система спутниковой дифференциальной навигации

(теоретический аспект)

В настоящее время идёт развитие систем геостационарного дополнения для навигационно-геодезических систем, таких как GPS. Такие системы в литературе часто называют также широкозонными системами спутниковой дифференциальной навигации, поскольку геостационарные спутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальными поправками (один геостационарный спутник может обеспечить поправкими территорию равную по площади одной трети от всей поверхности земного шара). Как следствие, применение систем геостационарных спутников позволяет значительно повысить точность определения местоположения, а значит, появляется возможность использования простых, компактных и относительно недорогих спутниковых приёмников, позволяющих решать навигационные и геодезические задачи. Широкозонные системы могут найти применение при решении задач морской геодезии, геодезии, точной навигации, ГИС и т.д. В таких системах реализован принципиально иной метод формирования коррекций в виде поправок к эфемеридным данным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всем пользователям через геостационарный спутник. При этом новый подход не требует какого-либо дополнительного оборудования к спутниковому приёмнику (например, радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны и спутникового приёмника, правда для этого необходимо изменить программный код приёмника.

В настоящее время существует несколько систем (или правильнее говорить подсистем) SBAS (хотя только WAAS является полностью рабочей в настоящее время):

·         WAAS (Wide Area Augmentation System) принадлежит США;

·         EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) принадлежит Европейскому Союзу;

·         MSAS (Multi-functional Satellite-based Augmentation System) принадлежит Японии.

Подсистема SBAS состоит из (см. рис. 1):

• сети наземных станций слежения. На этих станциях стоят двухчастотные геодезические приёмники, которые осуществляют непрерывный сбор данных от всех навигационных спутников. Все измерения с этих станций передаются в мастер-станцию в реальном времени;
• мастер-станции, которая необходима для обработки данных со станций слежения и формирования коррекций;
• станций закладки корректирующей информации на геостационарные спутники;
• геостационарных космических аппаратов (ГКА или GEO) для передачи поправок на большую территорию всем пользователям.

Рис. 1. Схема работы подсистемы SBAS

Подсистема выполняет следующие функции:

·         сбор данных от всех находящихся в поле радиовидимости навигационных спутников;

·         составление карты вертикальных ионосферных задержек;

·         контроль надёжности навигационных спутников;

·         определение и уточнение параметров орбит навигационных спутников;

·         определение коррекций орбит и временных поправок для навигационных спутников;

·         обеспечение потребителей корректирующей информацией и дополнительными измерениями псевдодальностей на частоте L1 (в системе GPS), позволяющими повысить надежность и точность спутниковых определений;

·         обеспечение независимого контроля выходных данных предыдущих шести функций перед их использованием потребителями;

·         обеспечение работоспособности и нормального функционирования подсистемы.

Так как в сигнале, передаваемом с геостационарного спутника, содержится кодированная информация о коррекциях состояния, то дадим описание входящим в этот сигнал сообщениям. Весь перечень этих сообщений представлен в табл. 1 [1].

Таблица 1

Таким образом, при использовании сигналов от геостационарных систем улучшается точность за счет:

• использования уточненных данных об эфемеридах навигационных спутников;
• использования уточненной модели ионосферы;
• использования дополнительного GPS сигнала на частоте L1=1575.42 МГц (или дополнительных сигналов, в случае если приемник отслеживает несколько геостационарных спутников) от геостационарных спутников системы.

Остановимся на корректирующий информации передаваемой с геостационарного спутника. С целью уменьшения ошибок, вызванных неточностью эфемерид, в GPS предусмотрено обновление эфемеридной информации для навигационных спутников каждый час. С целью получения более точной информации о положениях навигационных спутников, в подсистеме SBAS осуществляется трансляция коррекций эфемерид. При этом коррекция осуществляется не один раз в час (как в GPS), а один раз за несколько минут. При этом коррекции к эфемеридам навигационных спутников делятся на два типа: долгопериодные и короткопериодные. Долгопериодная составляющая коррекции для каждого навигационного спутника имет вид (см. табл. 2):

Таблица 2

Этот вид поправок передается не реже, чем через две минуты и их применение в аппаратуре пользователя не нуждается в пояснении со стороны автора статьи.

Короткопериодная составляющая поправки к положению каждого спутника перевычисляется в поправку к псевдодальности на определенный момент времени, причем эта поправка отсылается всем пользователям вне зависимости от того где он находится. Данный вид поправок может лежать в диапазоне от -256.000 до +255.875 м и её значение всегда кратно 0.125 м. Расчет поправки, которую необходимо вводить в измеренную псевдодальность осуществляется по формуле [1]:

            (1)

где  на требуемый момент i, t₁ и t₂ – смежные моменты времени, на которые имеются коррекции, причем t₁<t₂<t_i.

То есть для каждого требуемого момента времени вычисление короткопериодной составляюшей поправки осуществляется с использованием экстраполяции.

Что касается ионосферной модели,то в подсистеме SBAS реализована гораздо более детальная модель (по сравнению с GPS), но на локальную область. По наблюдениям наземных станций слежения системы SBAS осуществляется оценка вертикальных ионосферных задержек, и вся покрываемая область разделяется сеткой. В общем случае, сетка не является регулярной. Для каждой i-ой точки (ионосферная точка) этой сетки, которая имеет координаты Li, Bi (см. рис. 2),  с геостационарного спутника передаётся результат измеренной вертикальной ионосферной задержки для частоты L1 системы GPS в метрах. Такая сетка, в узлах которой известна величина вертикальной ионосферной задержки, называется картой вертикальных ионосферных задержек.

Информация об ионосферных задержках, передаваемых с геостационарного спутника, является весьма оперативной и обновляется один раз в несколько минут (по данным от геостационарного спутника номер 131 системы EGNOS, один раз в три с половиной минуты). Величины ионосферных задержек, передаваемых с геостационарного спутника, кратны 0.125 метрам.

Рис. 2. Карта вертикальных ионосферных задержек

Для того чтобы оценить влияние ионосферы для конкретного навигационного спутника, необходимо сначала определить координаты точки пересечения ионосферы и линии «приёмник-навигационный ИСЗ». Данная точка называется ионосферной точкой.  При этом в качестве поверхности ионосферы выбирается эллипсоид, высота которого над эллипсоидом WGS-84 (для системы GPS) составляет h_i=350 км при условии, что центры этих двух эллипсоидов совпадают. Такая высота h_i соответствует высоте максимальной концентрации электронов в ионосферном слое. Таким образом, приёмник, принимающий ионосферные коррекции, может интерполировать величину вертикальной ионосферной задержки тем или иным способом для каждого конкретного навигационного спутника, используя информацию о задержках в узлах сетки, координаты которых известны, и найденные координаты ионосферной точки для навигационного ИСЗ.

Далее эту вертикальную ионосферную задержку  необходимо привести к реальной (наклонной) задержке по формуле [1]:

                                                                                          (2)

где K – коэффициент преобразования, вычисляемый по формуле [1]:

                                                                              (3)

где R_e – средний радиус Земли (принимается равным 6378.1363 км для системы WGS-84);

       E – угол возвышения навигационного спутника над горизонтом.

Более точная информация об эфемеридах и состоянии ионосферы достигается за счет использования гораздо большего числа наземных станций слежения (по сравнению с GPS), входящих в подсистему SBAS, а также за счет её оперативного обновления.

Перспективность подсистем SBAS при решении навигационных и геодезических задач очевидна, поэтому исследования в данной области необходимо проводить как теоретически, так и практически.

Литература.

1. Minimum operational performance standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System airborne equipment. SC-159. Washington, DC, RTCA Inc., 2001. -586 p.