Улучшение GNSS - GNSS enhancement

Улучшение GNSS относится к методам, используемым для повышения точности информации о местоположении, предоставляемой спутниковая система навигации или другой глобальные навигационные спутниковые системы в общем, сеть спутников, используемая для навигации. Методы усовершенствования для повышения точности полагаются на внешнюю информацию, интегрированную в процесс расчета. Существует много таких систем, и они обычно называются или описываются в зависимости от того, как датчик GPS получает информацию. Некоторые системы передают дополнительную информацию об источниках ошибок (например, дрейф часов, эфемериды или ионосферная задержка ), другие предоставляют прямые измерения того, насколько сильно сигнал был отключен в прошлом, а третья группа предоставляет дополнительную навигационную информацию или информацию о транспортном средстве, которую необходимо интегрировать в процесс расчета.

Примеры систем увеличения включают Система увеличения площади, Дифференциальный GPS, Инерциальные навигационные системы и Вспомогательный GPS.

Фон

В спутниковая система навигации (GPS) - американская спутниковая система определения местоположения и навигации. Приемники на поверхности Земли или вблизи нее могут определять свое местоположение на основе сигналов, полученных от любых четырех или более спутников в сети.

Все спутники GPS вещают на одних и тех же двух частотах, известных как L1 (1575,42 МГц) и L2 (1227,60 МГц). Сеть использует Кодовым разделением множественного доступа (CDMA), чтобы можно было различать отдельные сообщения от отдельных спутников. Используются два различных кодирования CDMA: код грубого / сбора данных (C / A), который доступен широкой публике, и точный код (P), который зашифрован, так что только военные США могут получить к нему доступ. Сообщения, отправленные с каждого спутника, содержат информацию, начиная от состояния спутника, орбитального пути спутника, состояния часов спутника и конфигурации всей спутниковой сети.

Точный мониторинг

Точность вычислений также можно повысить за счет точного мониторинга и измерения существующих сигналов GPS дополнительными или альтернативными способами.

После Выборочная доступность был отключен правительством США, самой большой ошибкой в ​​GPS обычно была непредсказуемая задержка в ионосфере. Космический аппарат передает параметры модели ионосферы, но они обязательно несовершенны. Это одна из причин, по которой космический аппарат GPS передает по крайней мере две частоты, L1 и L2. Ионосферная задержка является четко определенной функцией частоты и полное электронное содержание (TEC) вдоль пути, поэтому измерение разницы во времени прихода между частотами определяет TEC и, следовательно, точную ионосферную задержку на каждой частоте.

Приемники с ключами дешифрования могут декодировать P (Y) -код, передаваемый как на L1, так и на L2. Однако эти ключи зарезервированы для военных и уполномоченных агентств и не доступны для общественности. Без ключей все еще можно использовать без кода метод сравнения кодов P (Y) на L1 и L2 для получения большей части той же информации об ошибках. Однако этот метод медленный, поэтому в настоящее время он ограничен специализированным геодезическим оборудованием. В будущем ожидается передача дополнительных гражданских кодов на частотах L2 и L5 (см. Модернизация GPS ). Тогда все пользователи смогут выполнять двухчастотные измерения и напрямую вычислять ошибки ионосферной задержки.

Вторая форма точного мониторинга называется улучшение фазы несущей (CPGPS). ^[1] Ошибка, которую это исправляет, возникает из-за импульсного перехода PRN не является мгновенным, и поэтому корреляция (согласование последовательности спутника и приемника) неидеальная работа. Подход CPGPS использует несущую волну L1, которая имеет период из

${\displaystyle {\frac {1~{\text{s}}}{1575.42\times 10^{6}}}=0.63475~{\text{ns}}\approx 1~{\text{ns}},}$

что составляет примерно одну тысячную битового периода кода C / A Gold

${\displaystyle {\frac {1~{\text{s}}}{1023\times 10^{3}}}=977.5~{\text{ns}}\approx 1000~{\text{ns}},}$

действовать как дополнительный тактовый сигнал и разрешить неопределенность. Ошибка разности фаз в обычном GPS составляет от 2 до 3 метров (от 6 до 10 футов) неоднозначности. CPGPS, работающий с точностью до 1% от идеального перехода, снижает эту ошибку до 3 сантиметров (1 дюйма) неопределенности. Устраняя этот источник ошибок, CPGPS в сочетании с DGPS обычно обеспечивает абсолютную точность от 20 до 30 сантиметров (от 8 до 12 дюймов).

Кинематическое позиционирование в реальном времени

Основная статья: Кинематика в реальном времени

Кинематическое позиционирование в реальном времени (RTK) - это еще один подход к системе точного позиционирования на основе GPS. При таком подходе определение сигнала дальности может быть разрешено с точностью менее 10 сантиметры (4 дюйма). Это делается путем определения количества циклов, в которых сигнал передается и принимается приемником. Это может быть достигнуто путем использования комбинации данных коррекции дифференциального GPS (DGPS), передачи информации о фазе сигнала GPS и методов разрешения неоднозначности посредством статистических тестов, возможно, с обработкой в ​​реальном времени.

Отслеживание фазы несущей (съемка)

Обсуждалось использование навигационного сообщения для измерения псевдодальности. Другой метод, который используется в приложениях GPS-съемки, - это отслеживание фазы несущей. Период несущей частоты, умноженный на скорость света, дает длину волны, которая составляет около 0,19 метра для несущей L1. При точности определения длины волны 1% при обнаружении переднего фронта этот компонент ошибки псевдодальности может составлять всего 2 миллиметра. Для сравнения: 3 метра для кода C / A и 0,3 метра для кода P.

Однако эта 2-миллиметровая точность требует измерения общей фазы, то есть общего количества длин волн плюс дробная длина волны. Для этого требуются специально оборудованные приемники. Этот метод имеет множество применений в области геодезии.

Теперь мы опишем метод, который потенциально может быть использован для оценки положения приемника 2 с учетом положения приемника 1 с использованием тройного дифференцирования с последующим численным поиском корня и математическим методом, называемым наименьших квадратов. Подробное обсуждение ошибок опущено, чтобы не отвлекать от описания методологии. В этом описании различия взяты в порядке различий между спутниками, различий между приемниками и различий между эпохами. Это не должно означать, что это единственный порядок, который можно использовать. В самом деле, другие порядки восприятия различий также действительны.

Полная фаза спутниковой несущей может быть измерена с неоднозначностью относительно количества циклов. Позволять ${\displaystyle \phi (r_{i},s_{j},t_{k})}$ обозначают фазу несущей спутника j измеряется приемником я вовремя ${\displaystyle t_{k}}$. Это обозначение было выбрано для того, чтобы было понятно, какие индексы я, j, и k иметь в виду. Принимая во внимание тот факт, что приемник, спутник и время идут в алфавитном порядке в качестве аргументов ${\displaystyle \phi }$ и чтобы найти баланс между удобочитаемостью и лаконичностью, пусть ${\displaystyle \phi _{i,j,k}=\phi (r_{i},s_{j},t_{k})}$, чтобы было краткое сокращение. Также мы определяем три функции: ${\displaystyle \Delta ^{r},\Delta ^{s},\Delta ^{t}}$, которые определяют разницу между приемниками, спутниками и временными точками соответственно. Каждая из этих функций имеет линейную комбинацию переменных с тремя нижними индексами в качестве аргумента. Эти три функции определены ниже. Если ${\displaystyle \alpha _{i,j,k}}$ является функцией трех целочисленных аргументов я, j, и k, то это допустимый аргумент для функций ${\displaystyle \Delta ^{r},\Delta ^{s},\Delta ^{t}}$, со значениями, определенными как

${\displaystyle \Delta ^{r}(\alpha _{i,j,k})=\alpha _{i+1,j,k}-\alpha _{i,j,k},}$

${\displaystyle \Delta ^{s}(\alpha _{i,j,k})=\alpha _{i,j+1,k}-\alpha _{i,j,k},}$

${\displaystyle \Delta ^{t}(\alpha _{i,j,k})=\alpha _{i,j,k+1}-\alpha _{i,j,k}.}$

Также если ${\displaystyle \alpha _{i,j,k}}$ и ${\displaystyle \beta _{l,m,n}}$ являются допустимыми аргументами для трех функций, и а и б константы, то ${\displaystyle (a\alpha _{i,j,k}+b\beta _{l,m,n})}$ - допустимый аргумент со значениями, определенными как

${\displaystyle \Delta ^{r}(a\alpha _{i,j,k}+b\beta _{l,m,n})=a\Delta ^{r}(\alpha _{i,j,k})+b\Delta ^{r}(\beta _{l,m,n}),}$

${\displaystyle \Delta ^{s}(a\alpha _{i,j,k}+b\beta _{l,m,n})=a\Delta ^{s}(\alpha _{i,j,k})+b\Delta ^{s}(\beta _{l,m,n}),}$

${\displaystyle \Delta ^{t}(a\alpha _{i,j,k}+b\beta _{l,m,n})=a\Delta ^{t}(\alpha _{i,j,k})+b\Delta ^{t}(\beta _{l,m,n}).}$

Ошибки часов приемника могут быть приблизительно устранены путем сравнения фаз, измеренных со спутника 1, с фазами со спутника 2 в ту же эпоху.^[2] Эта разница обозначается как ${\displaystyle \Delta ^{s}(\phi _{1,1,1})=\phi _{1,2,1}-\phi _{1,1,1}}$.

Двойное дифференцирование может быть выполнено путем взятия разницы между разницей между спутниками, наблюдаемой приемником 1, и разницей, наблюдаемой приемником 2.^[3] Ошибки спутниковых часов будут приблизительно устранены за счет этого между разностью приемников. Эта двойная разница

${\displaystyle {\begin{aligned}\Delta ^{r}(\Delta ^{s}(\phi _{1,1,1}))&=\Delta ^{r}(\phi _{1,2,1}-\phi _{1,1,1})&=\Delta ^{r}(\phi _{1,2,1})-\Delta ^{r}(\phi _{1,1,1})&=(\phi _{2,2,1}-\phi _{1,2,1})-(\phi _{2,1,1}-\phi _{1,1,1}).\end{aligned}}}$

Тройное дифференцирование может быть выполнено, взяв разность двойных разностей, выполненных за раз ${\displaystyle t_{2}}$ с тем, что исполняется во время ${\displaystyle t_{1}}$.^[4] Это устранит неоднозначность, связанную с целым числом длин волн в фазе несущей, при условии, что эта неоднозначность не меняется со временем. Таким образом, результат тройной разности устранил все или практически все ошибки смещения тактового сигнала и целочисленную неоднозначность. Также были значительно уменьшены ошибки, связанные с задержкой в ​​атмосфере и эфемеридами спутников. Эта тройная разница

${\displaystyle \Delta ^{t}(\Delta ^{r}(\Delta ^{s}(\phi _{1,1,1}))).}$

Результаты тройной разности можно использовать для оценки неизвестных переменных. Например, если положение приемника 1 известно, но положение приемника 2 неизвестно, можно оценить положение приемника 2, используя числовой поиск корня и наименьших квадратов. Результаты тройной разности для трех независимых временных пар вполне вероятно будут достаточными для решения трех компонентов положения приемника 2. Это может потребовать использования численной процедуры, такой как одна из тех, что описаны в главе о поиске корня и нелинейных наборах уравнения в числовых рецептах.^[5] Чтобы использовать такой численный метод, требуется начальное приближение положения приемника 2. Это начальное значение, вероятно, может быть получено с помощью аппроксимации положения на основе навигационного сообщения и пересечения сферических поверхностей. Хотя многомерное численное определение корня может иметь проблемы, этот недостаток можно преодолеть с помощью хорошей начальной оценки. Эта процедура с использованием трех временных пар и довольно хорошего начального значения с последующей итерацией приведет к одному наблюдаемому результату с тройной разницей для положения приемника 2. Более высокая точность может быть получена путем обработки результатов с тройной разницей для дополнительных наборов из трех независимых временных пар. Это приведет к переопределенной системе с множеством решений. Чтобы получить оценки для переопределенной системы, можно использовать метод наименьших квадратов. Процедура наименьших квадратов определяет положение приемника 2, которое наилучшим образом соответствует наблюдаемым результатам тройной разности для положений приемника 2 в соответствии с критерием минимизации суммы квадратов.

Смотрите также

• Анализ ошибок для глобальной системы позиционирования
• Пора сначала исправить
• Сигналы GPS

Примечания

1. Мэннингс, Робин (2008). Повсеместное позиционирование. Артек Хаус. п. 102. ISBN  978-1596931046.
2. Межспутниковая разность В архиве 2011-03-06 на Wayback Machine
3. Двойное дифференцирование В архиве 2011-03-06 на Wayback Machine
4. Тройное дифференцирование В архиве 2011-03-06 на Wayback Machine
5. Press (1986), стр. 959.

Рекомендации

• Press, Flannery & Tekolsky, Vetterling (1986). Числовые рецепты, Искусство научных вычислений. Издательство Кембриджского университета.

внешняя ссылка

• GPS.gov —Общий веб-сайт общественного образования, созданный правительством США.
• Руководство Инженерного корпуса армии США: NAVSTAR HTML и PDF (22,6 МБ, 328 стр.)
• Стандарт производительности GPS SPS - Официальная спецификация стандартной службы позиционирования (версия 2008 г.).
• Стандарт производительности GPS SPS - Официальная спецификация стандартной службы позиционирования (версия 2001 г.).
• Стандарт производительности GPS PPS - Официальная спецификация службы точного позиционирования.