GPS: Все, что Вы хотели знать, но боялись спросить - Леонтьев Б. К. - Страница 8

Существуют два метода, которые можно использовать, чтобы сделать ошибку минимальной.

Во-первых, мы можем предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух сигналов, имеющих разные частоты несущих колебаний.

Таким образом, если мы сравним время распространения двух разночастотных компонент сигнала GPS, то сможем выяснить, какое замедление имело место. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых «двухчастотных» приемниках GPS.

После того, как сигналы GPS пересекли ионосферу, расположенную очень высоко, они входят в атмосферу, в которой происходят все погодные явления. Водяные пары в атмосфере также могут влиять на радиосигналы. Ошибки по величине схожи с ошибками, вызываемыми ионосферой, но их почти невозможно скорректировать. К счастью, их суммарный вклад в погрешность местоположения значительно меньше, чем ширина обычной улицы.

Как бы точны ни были атомные часы на спутниках, все же и у них имеются источники небольших погрешностей. Специальные станции следят за этими часами и могут выверить их, если выявиться хотя бы незначительный уход.

Наши приемники на Земле также иногда ошибаются. Компьютер приемника может округлить математическую операцию, или электрические помехи могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов.

Еще один тип погрешностей — это ошибки «многолучевости». Они возникают, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадают в приемник.

Все источники погрешностей, которые мы до сих пор обсуждали, суммируются и придают каждому измерению GPS некоторую неопределенность.

Для достижения наибольшей точности в хорошем приемнике GPS учитывается некоторый своеобразный геометрический принцип, названный «Geometric Dilution of Precision — GDOP» (геометрический фактор снижения точности).

Суть в том, что в зависимости от взаимного расположения спутников на небосводе геометрические соотношения, которыми характеризуется это расположение, могут многократно увеличивать или уменьшать все неопределенности, о которых мы только что говорили. 

Мы представляли наше местоположение относительно спутников в виде окружностей, центры которых совмещены со спутниками. Ну а теперь, когда мы знаем, что каждое измерение содержит в себе и небольшую неопределенность, нам следует эти четкие окружности вообразить размытыми.

Наличие областей неопределенности означает, что мы не можем больше считать, что находимся в четко определенной точке. Можно сказать лишь, что мы где-то внутри этой суммарной области неопределенности…

В зависимости от угла между направлениями на спутники область пересечения размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может быть либо аккуратным небольшим квадратиком, либо сильно растянутым и неправильным четырехугольником.

Проще говоря, чем больше угол между направлениями на спутники, тем точнее местоопределение.

Исходя из этого, хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника.

Результирующая погрешность GPS определяется суммой погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме того, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A («Selective Availability» — ограниченный доступ). Этот режим разработан для того, чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наиболее существенную компоненту суммарной погрешности GPS.

Таким образом:

• Ионосфера и атмосфера Земли вызывают задержки сигнала, которые можно пересчитать в ошибки местоопределения.

• Некоторые из этих ошибок могут быть устранены математически и путем моделирования.

• Другие источники ошибок — это часы спутников, приемники, и многолучевость.

• Не наилучшее взаимное расположение спутников в небе приводит к увеличению всех компонент суммарной погрешности местоопределения.

Глава 6. GPS для пользователя системы слежения

Чтобы успешно использовать навигационную аппаратуру, работающую на технологии GPS требуется понимать некоторые особенности этой системы.

Система GPS Navstar базируется на 24-х спутниках, довольно быстро обращающихся вокруг земли.

GPS является пассивной системой навигации, и никоим образом не является системой связи. Это означает, что вы принимаете сигнал спутников системы, но ваша аппаратура ничего не передает.

Сигнал спутников GPS имеет частоты 1.227 и 1.575 ГГц. Что это означает для пользователя? Для электромагнитной волны такой частоты будут непрозрачными металлические поверхности, некоторые пластмассы, дерево, бетон. При этом, стекло пропускает сигнал, листва деревьев пропускает, но ослабляет. Приблизительно оценить прохождение сигнала можно, проведя аналогию со светом.

Важно помнить это, выбирая место на транспортном средстве, куда будет устанавливаться антенна GPS приемника. Поскольку спутники системы могут находиться в любом месте небосвода, идеальной является такая установка антенны, когда с ее положения небосвод виден целиком. Антенна, лежащая на приборной доске автомобиля, «увидит» в лучшем случае 2/3 возможных спутников. Так как сигнал GPS будет также экранироваться окружающими зданиями и деревьями, обеспечение наилучшего обзора для антенны является необходимым.

Даже если приемник выдает координаты с установленной под стеклом автомобиля антенной, это не означает, что все хорошо. Качество определения координат может быть лучше или хуже, в зависимости от того набора спутников, с которыми работает прибор.

Дело в том, что для получения данных о местоположении (место-определении) приемник должен увидеть 4 спутника (в худшем случае — 3, но ошибка при этом может быть значительной). Как правило, на небосводе их присутствует намного больше. Если приемник имеет возможность выбрать из большого количества принимаемых сигналов лучшие, это положительно скажется на качестве определения координат. Если же выбора нет, то точность работы будет труднопредсказуемой.

Сразу ли после включения GPS приемника начнет работать навигационная система? Увы, это не так.

Существует два периода выхода приемника на режим.

В первом — «горячий старт» — приемник запускается довольно быстро, но только при условии, что он бездействовал менее 30-ти минут.

Если времени прошло больше — то запуск приемника займет существенно больше времени, до нескольких минут. В течение этого времени могут быть получены данные о времени и скорости, но не координаты. Этот режим называется «Холодным стартом».

Слово «Бездействовал» относится не только к выключению питания, а также к потере GPS сигнала. Например, часовая стоянка со включенным приемником в железном ангаре вызовет необходимость в «холодном старте».

Глава 7. Основные функции GPS-приемников

Даже если вы намерены все лето проваляться на диване, безвылазно просидеть на даче или с утра до ночи кланяться грядкам на своем огороде, все равно не спешите утверждать, что будете точно знать свое местоположение. Разные бывают ситуации.