Определение относительного положения пунктов по разностям фаз

Если фазовые измерения псевдодальностей до одного и того же спутника выполнены одновременно в двух пунктах, то они содержат очень близкие по величине погрешности орбиты и внешней среды. Разности таких измерений практически лишены указанных погрешностей. Поэтому, используя разности фаз, удаётся с высокой точностью определять положение одного пункта относительно другого. Рассмотрим возникающие при таком подходе фазовые уравнения.

Первые разности фаз.Пусть в пунктах A и B выполнены фазовые измерения на один и тот же спутник s. Рассмотрим результаты измерений на обоих пунктах, относящиеся к одному и тому же положению спутника, то есть - к одному моменту спутникового времени. Благодаря наличию в излучаемом спутником сигнале меток времени это возможно.

Составим для обоих измерений уравнения вида (13), при этом в одном уравнении вместо индекса i, обозначающего номер пункта, будем иметь A, а в другом - B. Образуя разность этих уравнений, получим уравнение разности фаз

. (14)

Обозначая в полученном выражении для краткости каждую разность одним символом с двумя соответствующими нижними индексами, запишем

. (15)

Пусть координаты одного из пунктов, например A, известны. Тогда неизвестными в уравнении (15) будут входящие в три координаты x, y, z пункта B, постоянное для спутника s и пунктов A и B целое число и новая для каждой новой эпохи измерений разность смещений часов . Таким образом, число неизвестных равно 3 + n_s + n_t. При числе наблюдаемых спутников n_s и числе эпох n_t число уравнений разностей фаз будет равно n_sn_t. Чтобы число уравнений было не меньше числа неизвестных, должно выполняться неравенство n_sn_t ³ 3 + n_s + n_t, из которого следует, что число эпох измерений при наблюдении четырёх спутников должно быть не меньше, чем 3. А при использовании двух спутников - не меньше, чем 5.

Вторые разности. Если в пунктах A и B выполнены измерения на два спутника (s и k), то, записывая первые разности фаз, получим два уравнения вида (15):

;

.

Вычитая из второго уравнения первое и вновь обозначая разности одним символом, но с двумя верхними индексами, и учитывая, что , запишем

. (16)

Получили уравнение, в котором уменьшено число неизвестных и, в частности, исключены систематические ошибки смещений часов приёмников A и B. В каждую эпоху наблюдений двух спутников с двух пунктов формируется такое уравнение. Неизвестными в уравнении (16) являются три координаты x, y, z пункта B и число N.

При числе наблюдаемых спутников n_s и числе эпох n_t можно составить (n_s - 1)n_t независимых разностей фаз. Значит, число таких уравнений будет равно (n_s - 1)n_t, а число неизвестных - 3 +(n_s - 1). Теперь, чтобы число уравнений оказалось не меньше числа определяемых неизвестных, при наблюдении четырёх спутников число эпох должно быть не меньше чем 2, а при наблюдении двух спутников – не менее чем 4. Решая такую систему уравнений, вычисляют координаты x_B, y_B, z_B пункта B и n_s - 1 чисел N.

Третьи разности. Выполнив в две эпохи t₁ и t₂ измерения, аналогичные тем, которые позволили составить уравнение (16), получим два таких уравнения:

;

.

Образуя их разность, освобождаемся от неоднозначностей N и получаем уравнение

, (17)

где

и

- .

Число неизвестных ещё уменьшено и теперь равно трем, - это координаты пункта B,а число уравнений равно (n_s - 1)(n_t - 1). Необходимое неравенство (n_s - 1)(n_t - 1) ³ 3 приводит к условию n_t ³ (n_s + 2)/(n_s - 1), означающему, как и в предыдущем случае, необходимость выполнения при контакте с четырьмя спутниками не менее двух эпох измерений, а при контакте с двумя спутниками - не менее четырёх эпох.

Основные источники ошибок

При приеме сигналов от пяти или большего количества спутников определение положения аппаратуры потребителя может обеспечиваться со значительной избыточностью, что допускает обнаружение недопустимых сигналов и использование данных от спутников с лучшим расположением.

Однако некоторые источники ошибок, возникающих при работе GPS, являются трудно устранимыми.

Задержки распространения сигнала в ионосфере и тропосфере. Описанный выше алгоритм предполагает, что сигнал распространяется с непрерывной скоростью, которая равна скорости света. Однако в реальности скорость света является константой только в вакууме. Когда сигнал проходит через ионосферу (слой заряженных частиц на высоте 130 – 290 км) и тропосферу (от 8 до 13 км от поверхности Земли), его скорость распространения уменьшается, что приводит к ошибкам в измерении дальности. В современных GPS приёмниках используют различные алгоритмы (модели) для минимизации влияния этих задержек. Однако, используемые в настоящее время модели могут устранить только половину из возможной 70 нс задержки, что приводит к значительным (до 10 м) ошибкам в определении местоположения приемника.

Ошибки спутниковых часов, неисправленные сегментом управления, могут приводить к ошибкам положения приемника порядка одного метра.

Ошибки в эфемеридных данных обычно незначительны и тщательно отслеживаются со станций слежения, однако также могут приводить ошибкам в положении аппаратуры потребителя порядка 1 м.

Многолучевая интерференция также вносит ошибки в определение местоположения с помощью GPS. Это происходит, когда сигнал отражается от объектов, расположенных на земной поверхности, что создаёт заметную интерференцию с сигналами приходящими непосредственно со спутников. Специальная техника обработки сигнала и продуманная конструкция антенн позволяет свести к минимуму этот источник ошибок. Однако при работе в городских условиях ошибки, вносимые многолучевой интерференцией, могут осложнить производство работ. Оценочное снижение точности в положении приемника из-за этого явления – порядка 0,5 м.

До 1 мая 2000 года министерство обороны США использовало искусственное снижение точности спутникового сигнала для гражданских и неавторизированных пользователей – избирательный доступ (Selective Availability или S/A). Это приводило к тому, что точность полученных координат с помощью C/A-кода (30 метров) преднамеренно снижалась до 100 метров. Однако по решению президента США «Избирательный Доступ» был отключен. Кроме того, S/A можно исключить, применяя технику дифференциальной коррекции.

Шум и систематические ошибки смещения, объединяясь, приводят к типичным ошибкам расстояния около пятнадцати метров для каждого из спутников.

Геометрический фактор – геометрическое понижение точности GDOP (Geometric Dilution of Precision)

Ошибки GPS изменяются в зависимости от взаимного расположения спутников, используемых в навигационном решении, и приемника. Объем фигуры, описанной единичными векторами от приемника до спутников, используемых в навигационном решении, обратно пропорционален параметру GDOP.

Плохой GDOP (большое значение) – углы от приемника до множества используемых спутников одинаковы (рис. 17).

Рис. 17. Геометрическое понижение точности: а – неблагоприятное расположение (плохой GDOP); б – благоприятное расположение (хороший GDOP)

GDOP вычисляется из геометрических связей между положением приемника и положениями спутников, которые приемник использует для навигации, с использованием параметров из процесса навигационного решения. Ошибки дальностей до спутников умножаются на соответствующий коэффициент GDOP для оценки положения или ошибки времени.