Дифференциальный GPS - Differential GPS

Переносная опорная станция DGPS Базовое HD к CLAAS для использования в системах спутникового рулевого управления в современном сельском хозяйстве

А Дифференциальная система глобального позиционирования (DGPS) является улучшением спутниковая система навигации (GPS), который обеспечивает повышенную точность определения местоположения в диапазоне операций каждой системы, от номинальной точности GPS на 15 метров до примерно 1–3 см[1] в случае лучших реализаций.

Каждый DGPS использует сеть фиксированных наземных опорных станций для передачи разницы между позициями, обозначенными Спутник GPS система и известные фиксированные положения. Эти станции транслируют разницу между измеренными спутниками. псевдодальности и фактические (вычисленные внутри) псевдодальности, и приемные станции могут корректировать свои псевдодальности на ту же величину. Сигнал цифровой коррекции обычно транслируется локально по наземным передатчикам меньшей дальности.

В Береговая охрана США (USCG) и Канадская береговая охрана (CCG) каждый запускает DGPS в США и Канаде на длинноволновый радиочастоты от 285 кГц до 325 кГц вблизи основных водных путей и гаваней. DGPS USCG была названа NDGPS (Nationwide DGPS) и находилась в совместном ведении Береговой охраны и Инженерного корпуса армии США (USACE). Он состоял из станций вещания, расположенных во внутренних и прибрежных частях Соединенных Штатов, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико.[2] В других странах есть свои DGPS.

Похожая система, которая передает поправки с орбитальных спутников вместо наземных передатчиков, называется Wide-Area DGPS (WADGPS).[3] или же Спутниковая система дополнения.

История

Когда GPS впервые была введена в эксплуатацию, американские военные были обеспокоены возможностью использования вражескими силами глобально доступных сигналов GPS для управления своими собственными системами вооружения. Первоначально правительство считало, что сигнал «грубого сбора данных» (C / A) даст только около 100 метров точности, но с улучшенными конструкциями приемников фактическая точность составила от 20 до 30 метров.[4] Начиная с марта 1990 г.[5] Чтобы избежать такой неожиданной точности, сигнал C / A, передаваемый на частоте L1 (1575,42 МГц), был намеренно ухудшен за счет смещения его тактового сигнала на случайную величину, эквивалентную примерно 100 метрам расстояния. Этот метод, известный как "Выборочная доступность ", или сокращенно SA, серьезно ухудшило полезность сигнала GPS для невоенных пользователей. Более точное руководство было возможно для пользователей двухчастотных приемников GPS, которые также принимали частоту L2 (1227,6 МГц), но передачу L2, предназначенный для использования в военных целях, был зашифрован и был доступен только авторизованным пользователям с ключами дешифрования.

Это представляло проблему для гражданских пользователей, которые полагались на наземные радионавигация такие системы как ЛОРАН, VOR и NDB системы, обслуживание которых обходится в миллионы долларов ежегодно. Появление глобальная навигационная спутниковая система (GNSS) может обеспечить значительно более высокую точность и производительность за небольшую часть стоимости. Однако точность сигнала S / A была слишком низкой, чтобы сделать это реалистичным. Военные получили несколько запросов от Федеральное управление гражданской авиации (FAA), Береговая охрана США (USCG) и Министерство транспорта США (DOT) отложить S / A для обеспечения возможности использования GNSS в гражданских целях, но остался непоколебимым в своем возражении по соображениям безопасности.

С начала до середины 1980-х годов ряд агентств разработали решение «проблемы» SA.[сомнительный – обсуждать] Поскольку сигнал SA изменялся медленно, влияние его смещения на позиционирование было относительно фиксированным - то есть, если смещение было «100 метров на восток», это смещение было бы истинным на относительно широкой территории. Это предполагает, что передача этого смещения на местные приемники GPS может устранить влияние SA, в результате чего измерения будут ближе к теоретическим характеристикам GPS, примерно на 15 метров. Кроме того, еще один важный источник ошибок в исправлении GPS связан с задержками передачи в ионосфера, которые также можно было измерить и исправить в трансляции. Это позволило повысить точность до 5 метров, что более чем достаточно для большинства гражданских нужд.[1]

Береговая охрана США была одним из наиболее агрессивных сторонников DGPS, экспериментируя с системой на более широкой основе в конце 1980-х - начале 1990-х годов. Эти сигналы передаются по морским длинноволновый частоты, которые можно было получить на существующих радиотелефоны[требуется дальнейшее объяснение ] и подается в соответствующим образом оборудованные приемники GPS. Практически все основные поставщики GPS предлагали устройства с входами DGPS не только для сигналов USCG, но и для авиационных устройств. УКВ или коммерческий AM радио группы.

Они начали рассылать сигналы DGPS "производственного качества" на ограниченной основе в 1996 году и быстро расширили сеть, чтобы покрыть большинство портов захода в США, а также Морской путь Святого Лаврентия в партнерстве с Канадская береговая охрана. Были разработаны планы по расширению системы по США, но это было нелегко. Качество поправок DGPS обычно падает с расстоянием, и большие передатчики, способные покрывать большие площади, как правило, группируются вблизи городов. Это означало, что районы с меньшим населением, особенно на Среднем Западе и на Аляске, будут мало охвачены наземной системой GPS. По состоянию на ноябрь 2013 года национальный DGPS USCG состоял из 85 станций вещания, которые обеспечивали двойное покрытие почти всей береговой линии США и внутренних водных путей, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Кроме того, система обеспечивала одинарное или двойное покрытие для большей части внутренней части Соединенных Штатов.[6] Вместо этого FAA (и другие организации) начали изучать передачу сигналов через все полушарие со спутников связи на геостационарной орбите. Это привело к Система увеличения площади (WAAS) и аналогичные системы, хотя они обычно не называются DGPS или, альтернативно, «глобальные DGPS». WAAS предлагает точность, аналогичную наземным сетям DGPS USCG, и были некоторые аргументы в пользу того, что последние будут отключены, когда WAAS станет полностью работоспособным.

К середине 1990-х годов стало ясно, что система SA больше не пригодна для предполагаемой роли. DGPS сделает его неэффективным в США, где он считается наиболее необходимым. Кроме того, во время Война в Персидском заливе 1990-1991 гг. SA была временно отключена, так как войска союзников использовали коммерческие приемники GPS.[7] Это показало, что отключение SA может быть полезно для Соединенных Штатов.[8] В 2000 г. распоряжение к Президент Билл Клинтон выключил его навсегда.[9]

Тем не менее, к этому моменту DGPS превратился в систему, обеспечивающую большую точность, чем даже сигнал GPS без SA мог обеспечить сам по себе. Есть несколько других источников ошибок, которые имеют те же характеристики, что и SA, в том, что они одинаковы на больших площадях и в течение «разумного» промежутка времени. К ним относятся ионосферные эффекты, упомянутые ранее, а также ошибки в данных эфемерид местоположения спутников и часы дрейф по спутникам. В зависимости от количества данных, отправляемых в сигнале коррекции DGPS, коррекция этих эффектов может значительно уменьшить ошибку, а лучшие реализации предлагают точность менее 10 см.

В дополнение к продолжающемуся развертыванию систем, спонсируемых USCG и FAA, ряд поставщиков создали коммерческие сервисы DGPS, продавая свой сигнал (или приемники для него) пользователям, которым требуется лучшая точность, чем у номинальных 15-метровых GPS. Почти все коммерческие устройства GPS, даже портативные устройства, теперь предлагают ввод данных DGPS, а многие также напрямую поддерживают WAAS. До некоторой степени форма DGPS теперь является естественной частью большинства операций GPS.

Операция

Базовая станция DGPS (дроссельная заслонка антенны )

Базовая станция рассчитывает дифференциальные поправки для своего местоположения и времени. Однако пользователи могут находиться на расстоянии до 200 морских миль (370 км) от станции, и некоторые из компенсированных ошибок зависят от космоса: в частности, спутниковая эфемериды ошибки и введенные ионосферный и тропосферный искажения. По этой причине, точность DGPS уменьшается с увеличением расстояния от опорной станции. Проблема может усугубиться, если пользователю и станции не хватает «внутренней видимости» - когда они не могут видеть одни и те же спутники.

Точность

Соединенные Штаты Федеральный план радионавигации и МАМС Рекомендация по характеристикам и мониторингу служб DGNSS в полосе 283,5–325 кГц привести всего Министерство транспорта США Прогнозируемый рост ошибки в 1993 г. составил 0,67 м на 100 км от места вещания.[10] но измерения точности через Атлантический океан, в Португалии, показывают ухудшение всего на 0,22 м на 100 км.[11]

Вариации

DGPS может относиться к любому типу наземной системы дополнения (GBAS). По данным береговой охраны США, во всем мире используется множество операционных систем, в 47 странах действуют системы, аналогичные американской NDGPS (общенациональная дифференциальная глобальная система позиционирования).

Список можно найти на Мировая база данных DGPS для Dxers

Европейская сеть DGPS

Европейская сеть DGPS была разработана в основном морскими администрациями Финляндии и Швеции с целью повышения безопасности на архипелаге между двумя странами.[нужна цитата ]

В Великобритании и Ирландии система была внедрена в качестве средства морской навигации, чтобы заполнить пробел, образовавшийся после прекращения существования Система Decca Navigator в 2000 году. Сеть из 12 передатчиков, расположенных вокруг береговой линии и трех контрольных станций, была создана в 1998 году соответствующими Генеральными маячными властями (GLA) - Троицкий дом покрытие Англия, Уэльс и Нормандские острова, то Совет Северного маяка покрытие Шотландия и Остров Мэн и Комиссары Irish Lights, охватывающий всю Ирландия. Передавая в диапазоне 300 кГц, система прошла испытания, и два дополнительных передатчика были добавлены до того, как система была объявлена ​​работоспособной в 2002 году.[12][13]

Троицкий дом - Станции DGNSS: Великобритания и Ирландия

Эффективные решения (информационные продукты) - Европейские дифференциальные радиомаяки - Детали и карта

США NDGPS

В Министерство транспорта США, в сочетании с Федеральное управление автомобильных дорог, то Федеральное управление железных дорог и Национальная геодезическая служба назначил Береговая охрана в качестве обслуживающего агентства национальной сети DGPS США (NDGPS). Система является расширением предыдущей морской дифференциальной GPS (MDGPS), которую береговая охрана начала в конце 1980-х и завершила в марте 1999 года. MDGPS охватывала только прибрежные воды, Великие озера и внутренние водные пути реки Миссисипи, тогда как NDGPS расширяется. это включает полное покрытие континентальной части США.[14] Централизованный блок управления и контроля - это Центр навигации USCG, базирующаяся в Александрии, штат Вирджиния.[15] В настоящее время в сети США 85 сайтов NDGPS, находящихся под управлением Навигационный центр Министерства внутренней безопасности США.

В 2015 году USCG и USACE запросили комментарии относительно запланированного отказа от DGPS США.[16] В ответ на полученные комментарии в последующем уведомлении Федерального реестра от 2016 года было объявлено, что 46 станций останутся в эксплуатации и «доступны для пользователей в морских и прибрежных регионах».[17] Несмотря на это решение, USACE вывел из эксплуатации оставшиеся 7 площадок, а в марте 2018 года USCG объявила, что к 2020 году выведет из эксплуатации оставшиеся станции.[18]

Канадский DGPS

Канадская система похожа на систему США и предназначена в первую очередь для морского использования, охватывающего Атлантическое и Тихоокеанское побережье, а также Великие озера и Морской путь Святого Лаврентия.

Австралия

Австралия использует три DGPS: одна предназначена в основном для морской навигации, транслируя свой сигнал в длинноволновом диапазоне;[19] другой используется для топографической съемки и наземной навигации, а поправки транслируются в коммерческом FM-диапазоне. Третий в аэропорту Сиднея в настоящее время проходит испытания на точность приземления самолетов (2011 г.) в качестве резервной копии для Инструментальная система посадки как минимум до 2015 года. Это называется Наземная система дополнения. Поправки к местоположению самолета передаются через авиационный УКВ-диапазон.

Морская служба DGPS 16 наземных станций, покрывающих побережье Австралии, была прекращена с 1 июля 2020 года.[20] Улучшенные возможности многоканального GPS и источники сигналов от нескольких поставщиков (GPS, ГЛОНАСС, Галилео и BeiDou ) был отмечен как обеспечивающий лучшую точность навигации, чем можно было бы получить с помощью GPS + DGPS. Австралийский проект спутниковой системы дополнения (SBAS), возглавляемый Геонауки Австралия (GA), будет предлагать более точное определение местоположения для пользователей GNSS в течение следующих 2–3 лет.

Постобработка

Постобработка используется в дифференциальной GPS для получения точных положений неизвестных точек, связывая их с известными точками, такими как маркеры опроса.

В GPS измерения обычно хранятся в память компьютера в приемниках GPS, а затем передаются на компьютер, на котором запущено программное обеспечение постобработки GPS. Программное обеспечение вычисляет исходные данные использование данных одновременных измерений от двух или более приемников GPS.

Базовые линии представляют собой трехмерную линию, проведенную между двумя точками, занятыми каждой парой антенн GPS. Постобработанные измерения позволяют более точно определять местоположение, потому что большинство ошибок GPS почти одинаково влияют на каждый приемник и, следовательно, могут быть исключены в расчетах.

Дифференциальные измерения GPS также могут быть вычислены в реальном времени некоторыми приемниками GPS, если они получают сигнал коррекции с помощью отдельного радиоприемника, например, в Кинематика в реальном времени (RTK) геодезия или же навигация.

Улучшение GPS-позиционирования ни в коем случае не требует одновременных измерений двух или более приемников, но также может быть выполнено с помощью специального использования Один устройство. В 1990-х годах, когда даже портативные приемники были довольно дорогими, некоторые методы квазидифференциальный GPS были разработаны, используя приемник быстрыми поворотами позиций или петлями 3-10 точки обследования.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ «SAPOS-Dienste im Überblick» (на немецком). Получено 16 апреля, 2019.
  2. ^ "Страница правительства США о системах дополнения GPS". Gps.gov. 2012-03-14. Получено 2013-07-07.
  3. ^ Ки, К., Паркинсон, Б. У., и Аксельрад, П. (1991), "Глобальная дифференциальная GPS", Навигация, Журнал Института навигации, 38, 2 (лето 1991), <https://www.ion.org/publications/abstract.cfm?articleID=100207 >
  4. ^ Макнамара, Джоэл (2008), GPS для чайников (2-е изд.), ISBN  978-0-470-15623-0
  5. ^ Хо, Анджела; Моздзановский, Алекс; Нг, Кристин (2005), Чехол для GPS (PDF), Открытое программное обеспечение, Массачусетский технологический институт, стр.11.
  6. ^ «График покрытия DGPS USCG через Навигационный центр USCG». Получено 2013-07-07.
  7. ^ «Определение выборочной доступности». PCMAG. Получено 2020-04-18.
  8. ^ GPS для чайников, в котором говорилось, что военных приемников GPS не хватало, поэтому «Выборочная доступность была временно отключена в 1990 году во время войны в Персидском заливе», чтобы войска Коалиции могли использовать гражданские приемники GPS.
  9. ^ «Заявление президента относительно решения США прекратить снижение точности глобальной системы позиционирования». Управление научно-технической политики. 1 мая 2000 г.. Получено 2007-12-17.
  10. ^ Министерство транспорта и Министерство обороны (25 марта 2002 г.). «Федеральный план по радионавигации на 2001 год» (PDF). Получено 27 ноября, 2005.
  11. ^ Монтейро, Луис Сардинья; Мур, Терри и Хилл, Крис. 'Какова точность DGPS?', Журнал навигации (2005) 58, 207-225.
  12. ^ «Морской дифференциальный GPS». Спутниковая навигация. Троицкий дом. Архивировано из оригинал на 20 января 2008 г.
  13. ^ «Генеральное управление маяков Великобритании и Ирландии обращается к Trimble GPS для будущей навигации». Trimble Navigation Limited (Пресс-релиз). PRNewsire. 22 января 1998 г.
  14. ^ «ФЕДЕРАЛЬНЫЙ РАДИОНАВИГАЦИОННЫЙ ПЛАН 2005» (PDF). Получено 2013-07-07.
  15. ^ Центр навигации береговой охраны США, Александрия, Вирджиния; Стандартные рабочие процедуры (2002)
  16. ^ «Общенациональная дифференциальная глобальная система позиционирования (NDGPS)». Федеральный регистр. 2015-08-18. Получено 2018-09-25.
  17. ^ «Общенациональная дифференциальная глобальная система позиционирования (NDGPS)». Федеральный регистр. 2016-07-05. Получено 2018-09-25.
  18. ^ «Прекращение действия общенациональной системы дифференциального глобального позиционирования (NDGPS)». Федеральный регистр. 2018-03-21. Получено 2018-09-25.
  19. ^ «Служба DGPS AMSA - Статус». Австралийское управление морской безопасности. Получено 2017-03-29.
  20. ^ "Дифференциальная система глобального позиционирования Австралии". Австралийское управление морской безопасности. Получено 2020-09-20.

внешняя ссылка