На ступінь точності обчислення координат впливає ряд факторів, що залежать від процедури їх визначення. Їх прийнято називати факторами зниження точності. В даному рефераті будуть розглянуті основні фактори, що впливають на точність супутникових вимірів.
Фактори, що впливають на точність супутникових вимірів
У системах глобального позиціонування, точність визначення місцезнаходження об'єкта залежить від ступеня похибки, що виникає при вимірюванні відстаней від терміналу до супутників. Від ступеня впливу цілого ряду факторів залежить, наскільки точно буде визначено місце розташування приймача, буде ця похибка становитиме один метр або десяток, а то й сотню метрів.
Мал. 1. Супутник «Navstar-GPS».
До факторів, що безпосередньо впливає на ступінь похибки, можна віднести наступні:
· Спеціальна похибка (SA);
· Якість геометрії супутників;
· Відносність вимірювання часу;
· Округлення і обчислювальні помилки
Даний фактор є штучну похибка, навмисне спотворення часу сигналу, що посилається супутником, в результаті чого точність визначення місця розташування об'єкта приладом GPS знижувалася до 50-150 метрів. Похибка штучно вносилася в сигнали супутників відповідно до вимог режиму SA - selective availability (селективного доступу), завданням якого було обмежити точність вимірювань для цивільних GPS-приймачів [1]. У режимі SA формуються помилки штучного походження, що вносяться в сигнал на борту GPS-супутників з метою огрубіння навігаційних вимірювань. Такими помилками є невірні дані про орбіти супутника і спотворення показань його годин за рахунок внесення додаткового псевдослучайного сигналу. Величина середньоквадратичного відхилення через вплив цього фактора становить, приблизно, 30 м [2].
Причина створення «спеціальної похибки» полягала в забезпеченні державної безпеки США. У момент організації та розвитку система глобального позиціонування GPS була виключно військовою розробкою, покликаної забезпечити потреби силових структур. Лише з плином часу навігаційна система отримала комерційне застосування, можливість визначати місце розташування з'явилася і у цивільних осіб. Крім виключно мирних цілей, система позиціонування могла бути використана для різних зловмисних дій, які представляли б пряму загрозу для безпеки. Так, терористичні організації отримали б можливість використовувати GPS для визначення місцезнаходження стратегічних об'єктів і точного наведення дистанційного зброї.
Мал. 2. Величина помилки до і після відключення режиму SA.
Мал. 3. Точність визначення координат з включеним режимом SA
Мал. 4. Точність визначення координат після відключення режиму SA
Якість геометрії супутників
Черговим чинником, що впливає на точність показань приймача, є якість геометрії супутників - характер взаємного розташування супутників щодо приймача. Точність визначення місця розташування безпосередньо залежить від кількості супутників в «зоні видимості» приладу, а також від того, як ці супутники розподілені на небосхилі. Всі розрахунки побудовані не стільки на визначенні відстані як такого, але і на перетині прямих, освічених відстанями від приймача до кожного з видимих супутників. Саме ці перетину формують зону ймовірного знаходження об'єкта, і чим ширший зона, тим нижче точність визначення.
Мал. 5. Взаємне розташування супутників щодо приймача
Оптимальним варіантом вимірювання вважається співвідношення відстаней від терміналу до чотирьох супутників одночасно, для створення подібних умов в будь-якій точці земної кулі по орбіті Землі кружляють 28 супутників [3]. Супутники рівномірно розподілені по орбіті на висоті
20 тис. Км. Для високої точності вимірювань необхідно, щоб супутники, перебуваючи в межах видимості приладу, були рознесені на максимально можливу відстань. Якщо ж все чотири супутники будуть розташовані, наприклад, тільки на північному заході щодо приладу, не виключений варіант, що визначити місце розташування буде неможливо, або точність визначення буде незадовільною (100 - 150 м.). Область ймовірного розташування приладу (перетину прямих) буде досить значною, що негативно відіб'ється на точності.
Мал. 6. Супутники ГЛОНАСС і GPS щодо Землі
Особливо важливим якість геометрії супутників є при розташуванні приймача в місцевості, де супутники можуть бути перекреслені природними або штучними перешкодами. Це можуть бути гори, ущелини, висотні будівлі, в такій місцевості важливо кількість супутників, які прилад може засікти одночасно, чим менше супутників виявляється в межах видимості, тим нижче точність визначення місця розташування [4]. У той час як один або кілька супутників залишаються прихованими, або ж сигнал будь-якого з супутників заблокований, система робить спроби визначити положення за допомогою інших супутників.
Існує система оцінки якості геометрії супутників, яка використовується виробниками навігаційних приладів і яка характеризує рівень втрати точності безпосередньо через розташування супутників. Показник DOP (Delution of Precision - зниження точності), враховує кількість видимих супутників в певний момент часу і розташування супутників відносно один одного.
Крім універсального показника DOP застосовуються його модифікації:
· Геометричний фактор зниження точності (GDOP) визначає ступінь впливу похибок псевдодальності (що характеризує міру віддаленості користувача від супутника) на точність обчислення координат. Залежить від стану супутника щодо приймача і від зсуву показання годин. Різниця значень псевдодальності і фактичній дальності пов'язано зі зміщенням показань годин супутника і споживача, з затримками поширення та іншими помилками.
· Горизонтальний фактор зниження точності (HDOP) показує ступінь впливу точності визначення горизонталі на похибка обчислення координат.
· Фактор зниження точності визначення положення (PDOP) - це безрозмірний показник, що описує, як похибка псевдодальності впливає на точність визначення координат.
· Відносний фактор зниження точності (RDOP), по суті, дорівнює фактору зниження точності, нормалізовано на період 60 с.
· Часовий фактор зниження точності (TDOP) описує ступінь впливу похибки показань годин на точність визначення координат.
· Вертикальний фактор зниження точності (VDOP) показує ступінь впливу похибки у вертикальній площині на точність визначення координат.
Користувачами приладів використовується загальне правило - чим вище значення показників DOP, тим нижче точність визначення.
Мал. 7. Складові показника DOP
Крім того, на якість геометрії супутників впливає широта, на якій знаходиться приймач, а також близькість до одного з полюсів Землі (вплив атмосфери).
Рух супутників, що забезпечують роботу системи, по своїх орбітах є досить стабільним, проте все ж трапляються деякі відхилення. Причиною цих відхилень є гравітаційне поле космічних об'єктів - Сонця і Місяця. Для подолання подібних впливів дані про поточну орбіті безперервно коригуються і відправляються до приймачів вже в обробленому вигляді. Але, незважаючи на вжиті заходи, гравітаційні впливу все ж приводять до погрішностей у вимірі розташування, такі похибки можуть призводити до втрати точності визначення до 2 метрів.
Фактором, який має суттєвий вплив на точність обчислень, є різниця в швидкості проходження сигналу від супутника в космосі і різних шарах атмосфери. Так, якщо у відкритому космосі швидкість сигналу дорівнює швидкості світла, то в тропосфері, а також в іоносфері ця швидкість є нижчою.
На висоті від 80 до 100 км від Землі в результаті впливу енергії Сонця сконцентрована значна кількість позитивно заряджених іонів. У шарах іоносфери сигнали від супутників, що представляють собою електромагнітні хвилі, переломлюються, за рахунок чого збільшується час їх проходження через ці шари. Для подолання впливу цього фактора використовуються коригувальні обчислення, що проводяться самим приймачем, оскільки можливі швидкості проходження сигналу через різні шари іоносфери досить добре вивчені.
Одним з ефективних методів моделювання іоносфери, є так звана техніка асиміляції даних. Суть цієї методики полягає в коригуванні фізичної моделі іоносфери за допомогою оперативно одержуваних експериментальних даних. Звичайна модель іоносфери, заснована на фізиці досліджуваних процесів, не може охопити всього діапазону факторів, що впливають на стан плазми. Це пов'язано з тим, що деякі необхідні для цього величини складно виміряти експериментально (швидкості вітру на висотах термосфери, проходження крізь атмосферу космічних променів і ін.). Крім того, навіть вплив добре вивчених факторів, таких, наприклад, як сонячна активність, важко передбачити.
У зв'язку з цим, модель, здатна забезпечити високу точність опису розподілу характеристик плазми, повинна в режимі реального часу засвоювати експериментальну інформацію про стан іоносфери. Дані, які можуть бути використані в такого роду підході повинні бути доступні і актуальні і, крім усього іншого, оперативно Оновлюваність. Ці дані доступні і оновлюються в кількох архівах, таких, як, наприклад, архів SOPAC [5]. На даний момент в світі існує кілька моделей асиміляційного типу. Серед них - розроблена за фінансування Міністерства оборони США модель GAIM [6]. У Росії розробки в даному напрямку ведуться в ФГУБ «Центральна Аерологічна Обсерваторія» [7].
Але все ж приймачі, призначені для цивільного використання, не в силах виконувати коригування в разі непередбачених змін, які можуть бути викликані сонячними вітрами. Приймачі, розроблені для потреб армії, беруть два види сигналів з різною частотою, відповідно - з різною швидкістю проходження в іоносфері. Тому різниця в часі їх прибуття дозволяє скорегувати похибка, що виникає при обчисленнях швидкості проходження сигналів через іоносферу.
Незважаючи на те, що навігаційне повідомлення, передане з борта супутника, містить параметри моделі іоносфери, компенсація фактичної затримки, в кращому випадку, становить 50%. При цьому величина залишкової НЕ моделюється ионосферной затримки може викликати похибка визначення псевдо близько 10 м [8].
Тропосфера - найнижчий від земної поверхні шар атмосфери (до висоти 8 - 13 км) [9]. Вона також обумовлює затримку поширення радіосигналу від супутника. Величина затримки залежить від метеопараметров (тиску, температури, вологості), а також від висоти супутника над горизонтом. Компенсація тропосферних затримок проводиться шляхом розрахунку математичної моделі цього шару атмосфери. Необхідні для цього коефіцієнти містяться в навігаційному повідомленні. Тропосферні затримки викликають помилки вимірювання псевдодальностей в 1 м.
При проходженні сигналу через тропосферу виникають спотворення, викликані погодними факторами, а саме - різною концентрацією водяної пари. Передбачити рівень концентрації пара настільки ж складно, наскільки важко прогнозувати погоду, тому внести корекцію методом обчислень вкрай проблематично. З іншого боку, величина похибки, викликана особливостями проходження сигналу через тропосферу помітно нижче впливу іоносфери, тому використовується приблизна поправка.
Однак дані супутників, які розташовані під кутом менше 10 ° до горизонту, не включаються до вимірювання саме з цієї причини, оскільки спотворення досить високі. Більш точно налаштувати приймачі дозволяють погодні карти різних регіонів. Геостаціонарні системи навігаційного покриття WAAS (Америка) і EGNOS (Європа) відсилають скориговані сигнали для приймачів, які підтримують диференційовані поправки, ці дані помітно покращують точність визначення місця розташування.
Великі об'єкти, що знаходяться на шляху сигналу - висотні будівлі і інші об'єкти, часто стають причиною його відображення, яке приймається приймачем разом з прямими сигналами. Це призводить до спотворення дальності, так як відбитого сигналу потрібно більше часу, щоб досягти приймача, похибка в результаті відображення може становити кілька метрів.
Мал. 8. Відображення сигналів
Також перешкодою для супутникових вимірювань можуть стати досить потужні джерела випромінювань - радіостанції, локатори, тощо