Кіріспе

Глобалды позициялау жүйесін жетілдіру, оның дәлдігін арттыру. Дифференциалдық глобалды позициялау жүйелері (DGPS) ғаламдық навигациялық спутниктік жүйелерден (GNSS) алынған позициялық деректерді толықтырады және жақсартады. GPS-ке арналған DGPS дәлдікті шамамен мың есеге дейін арттыра алады, шамамен ең жақсы жағдайда сантиметрлік дәлдікке қол жеткізеді. DGPS жүйелері тұрақты позициялық, жер бетіндегі анықтамалық станциялар желісінен тұрады. Әрбір анықтамалық станция өзінің өте дәл белгілі позициясы мен спутниктен алынған, дәлдігі төмен позициясы арасындағы айырманы есептейді. Станциялар бұл деректерді жергілікті жерде, әдетте, жер бетіндегі, қысқа қашықтықтағы хабар таратушыларды пайдаланады. Қозғалмалы қабылдағыштар оны өздерінің позициясын бірдей мөлшерде түзету үшін пайдаланады, осылайша олардың дәлдігін жақсартады. АҚШ Жағалау күзеті (USCG) бұрын АҚШ-та ірі су жолдары мен порттар маңындағы ұзақ толқындық радио жиіліктерінде DGPS жүйесін іске қосқан, бірақ 2022 жылдың наурызында тоқтатты. USCG DGPS NDGPS (Ұлттық DGPS) деп аталды және оны Жағалау күзеті мен Армия инженерлер корпусы бірлесіп басқарды. Ол Аляска, Гавайи және Пуэрто-Рико сияқты АҚШ-тың ішкі және жағалаулық аймақтарында орналасқан хабар тарату орындарынан тұрды. Канадалық Жағалау күзеті (CCG) де жеке DGPS жүйесін пайдаланды, бірақ оны 2022 жылдың 15 желтоқсанында тоқтатты. Басқа елдердің де өздерінің DGPS жүйелері бар. Жерге орналасқан хабар таратушылардың орнына орбиталық спутниктерден түзетулерді тарататын ұқсас жүйе кең аймақтық DGPS (WADGPS) спутниктік күшейту жүйесі деп аталады.

Тарих

GPS алғаш рет қолданысқа енгізілген кезде АҚШ әскерилері жау күштерінің өз қару жүйелерін басқару үшін әлемдік деңгейде қолжетімді GPS сигналдарын пайдалану мүмкіндігіне қатысты алаңдады. Бастапқыда үкімет «жалпы қол жетімділік» (C/A) сигналы шамамен 100 метрлік дәлдік береді деп ойлаған, бірақ қабылдағыштардың жақсаруымен нақты дәлдік артты. 1990 жылдың наурыз айынан бастап, мұндай күтпеген дәлдікті қамтамасыз етуден аулақ болу үшін L1 жиілігінде берілетін C/A сигналы сағат сигналын кездейсоқ түрде, шамамен шамамен бір қашықтыққа теңдей ауыстыру арқылы әдейі нашарлатылды. Бұл техника, «Селективті қолжетімділік» (SA) деп белгілі, әскери емес пайдаланушылар үшін GPS сигналының тиімділігін күрт төмендетті. Қос жиілікті GPS қабылдағыштарын пайдаланушылар үшін жоғары дәлдік мүмкін болды, бірақ L2 жиілігі де қабылданатын болды. Әскери мақсатта қолданылатын L2 берілісі шифрланған және шифрлау кілттері бар уәкілетті пайдаланушыларға ғана қолжетімді болды. Бұл LORAN, VOR және NDB сияқты жердегі радио навигациялық жүйелерге сүйенетін азаматтық пайдаланушылар үшін мәселе тудырды, олардың күтіміне жыл сайын миллиондаған доллар жұмсалды. Жаһандық навигациялық спутниктік жүйе (GNSS) пайда болуы шығынның бір бөлігін қамтамасыз ете отырып, дәлдік пен өнімділікті айтарлықтай жақсартуға мүмкіндік берді. Дегенмен, S/A сигналының ішкі дәлдігі бұл мүмкіндікті іске асыруға жеткіліксіз болды. Әскерилер Федералдық авиация басқармасынан (FAA), АҚШ жағалау күзетінен (USCG) және АҚШ Көлік департаментінен (DOT) GNSS азаматтық қолдану үшін S/A-ны алып тастау туралы бірнеше өтініш алды, бірақ қауіпсіздік негіздерімен оларға қарсылық көрсетті. 1980 жылдардың басында және ортасында бірқатар мекемелер SA «мәселесіне» шешім іздеді. SA сигналы баяу өзгеретіндіктен, оның орнын ауыстыруының позицияға әсері салыстырмалы түрде тұрақты болды. Яғни, егер ауытқу «шығысқа қарай 100 метр болса», бұл ауытқу салыстырмалы түрде кең аумақта сақталады. Бұл жергілікті GPS қабылдағыштарына осы ауытқуды хабарлау SA әсерін жоюға және GPS-тің теориялық өнімділігіне жақын нәтижелерге қол жеткізуге мүмкіндік береді. Сонымен қатар, GPS жөндеуіндегі қателердің тағы бір маңызды көзі – ионосферадағы таратудың кешігуі, оны да өлшеуге және түзетуге болады. Бұл шамамен дәлдікке жақсартуды қамтамасыз етті, бұл көптеген азаматтық қажеттіліктер үшін жеткілікті болды. АҚШ жағалау күзеті DGPS-тің белсенді жақтаушыларының бірі болды және 1980 жылдардың соңы мен 1990 жылдардың басында жүйемен кең ауқымды тәжірибелер жүргізді. Бұл сигналдар теңіздік ұзын толқын жиіліктері арқылы беріледі, оларды қолданыстағы радиотелефондар қабылдап, тиісті жабдықталған GPS қабылдағыштарына жіберуге болады. GPS-тің көптеген ірі өндірушілері DGPS кірістері бар құрылғыларды ұсынды, олар тек USCG сигналдары үшін ғана емес, сонымен қатар VHF немесе коммерциялық AM радио жолақтарындағы авиациялық құрылғылар үшін де қолданылды. «Өндірістік сападағы» DGPS сигналдары 1996 жылы шектеулі түрде жіберіле бастады және желі АҚШ-тың көптеген порттарын, сондай-ақ Канада жағалау күзетімен серіктестікте Сент-Лоуренс теңіз жолын қамту үшін тез кеңейтілді. Жүйені бүкіл АҚШ-қа кеңейту жоспарлары жасалды, бірақ бұл оңай болмайтын еді. DGPS түзетулерінің сапасы әдетте қашықтықпен төмендейді және үлкен аумақтарды қамти алатын үлкен хабар таратушылар қалаларға жақын орналасқан. Бұл халық тығыздығы төмен аймақтарда, әсіресе Орта Батыста және Аляскада, жердегі GPS-тің нашар қамтылуына әкеп соқты. 2013 жылдың қараша айына қарай USCG-нің ұлттық DGPS жүйесі 85 хабар тарату орнынан тұрды, олар АҚШ-тың жағалауының және ішкі кеме қатынасы су жолдарының, соның ішінде Аляска, Гавайи және Пуэрто-Риконың дерлік барлық бөлігін қамтиды. Сонымен қатар, жүйе АҚШ-тың ішкі бөлігінің көп бөлігін бір немесе екі рет қамтыды. FAA (және басқалар) геостационарлық орбитадағы байланыс спутниктерінен бүкіл жарты шарға сигналдарды таратуды зерттеуді бастады. Бұл Wide Area Augmentation System (WAAS) және осыған ұқсас жүйелерге әкелді, бірақ олар әдетте DGPS деп аталмайды немесе «кең аймақты DGPS» деп аталды. WAAS USCG жердегі DGPS желілеріне ұқсас дәлдікті ұсынады және WAAS толыққанды іске қосылған кезде соңғысы тоқтатылуы мүмкін деген пікірлер бар. 1990 жылдардың ортасына қарай SA жүйесі өзінің мақсатты рөлінде пайдалы емес екені анық болды. DGPS оны АҚШ-та тиімсіз ететін еді, онда ол ең қажетті болып саналады. Сонымен қатар, 1990-1991 жылдардағы Перс шығанағы соғысы кезінде SA уақытша сөндірілді, өйткені одақтас әскерлер коммерциялық GPS қабылдағыштарын пайдаланды. Бұл SA-ны сөндірілген күйде қалдырудың АҚШ үшін пайдалы болуын көрсетті. 2000 жылы президент Билл Клинтонның жарлығымен SA тұрақты түрде тоқтатылды. Дегенмен, осы кезде DGPS тіпті SA жоқ GPS сигналынан да жоғары дәлдік беретін жүйеге айналды. SA сияқты, үлкен аумақтарда және «жеткілікті» уақыт аралығында бірдей болатын бірнеше қателердің көздері бар. Оларға бұрын айтылған ионосфералық әсерлер, сондай-ақ спутниктің орны туралы эфемеридалық деректердегі қателер және спутниктің сағаттың қабысуы жатады. DGPS түзету сигналында берілетін деректер мөлшеріне байланысты, осы әсерлерді түзету қателерді айтарлықтай азайтуға мүмкіндік береді, ең жақсы жүйелер 10 метрден кем дәлдік ұсынады. USCG және FAA демеушілік еткен жүйелерді жалғастырумен қатар, бірқатар өндірушілер коммерциялық DGPS қызметтерін жасады, сигналдарын (немесе оны қабылдағыштарын) 15 метрлік GPS-тің номиналдық дәлдігінен жоғары дәлдік қажетті пайдаланушыларға сатты. Көптеген коммерциялық GPS құрылғылары, тіпті қолдағы құрылғылар да, қазір DGPS деректерін қабылдау мүмкіндігін ұсынады, сонымен қатар көптеген құрылғылар WAAS-ты тікелей қолдайды. Бір деңгейде, DGPS қазір көптеген GPS операцияларының бөлігі болып табылады.

Операция

Бағалау станциясы өзінің орналасқан жері мен уақыты үшін дифференциалдық түзетулерді есептейді. Пайдаланушылар станциядан 200 теңіз милі (370 км) қашықтықта болуы мүмкін, бірақ өтетілген кейбір қателер кеңістікте өзгереді: әсіресе, спутниктік эфемер қателері және ионосфера мен тропосфераның бұрмалауларынан туындаған қателер. Сондықтан, DGPS-тің дәлдігі эталондық станциядан алшақтаған сайын төмендейді. Егер пайдаланушы мен станция бірдей спутникті көре алмаса, бұл мәселе одан әрі ушығады.

Дұрыс

АҚШ Федералдық радионавигациялық жоспары және IALA 283.5–325 кГц жолағындағы DGNSS қызметтерінің өнімділігі мен мониторингі жөніндегі ұсыным АҚШ Көлік министрлігінің 1993 жылғы тарату орталығынан қателік өсуінің бағалауын келтіреді, бірақ Атлант мұхитындағы, Португалиядағы дәлдік өлшемдері тек қана емес, сондай-ақ төмендеуді көрсетеді.

Вариациялар

DGPS – бұл жер үстіндегі күшейту жүйесінің (GBAS) кез келген түрін білдіруі мүмкін. АҚШ Жағалау күзетінің мәліметінше, әлем бойынша көптеген қолданыстағы жүйелер бар, 47 ел АҚШ-тың NDGPS (Ұлттық дифференциалдық жаһандық позициялау жүйесі) сияқты жүйелерді пайдаланады. Dxers-тің Дүниежүзілік DGPS дерекқорынан тізімді табуға болады.

Еуропалық DGPS желісі

Еуропалық DGPS желісін негізінен Финляндия және Швеция теңіз әкімшіліктері екі ел арасындағы аралдардағы қауіпсіздікті жақсарту мақсатында дамытты. Ұлыбритания мен Ирландияда бұл жүйе 2000 жылы Decca Navigator жүйесі тоқтатылғаннан кейін қалған олқылықты толтыру үшін теңіз навигациялық құралы ретінде енгізілді. Жағалау бойында орналасқан 12 хабар таратушы және үш басқару станциясы бар желі 1998 жылы елдердің тиісті Бас маяк органдары (GLA) – Англия, Уэльс және Норманд аралдарын қамтитын Троица үйі, Шотландия мен Ман аралын қамтитын Солтүстік маяк кеңесі және Ирландияның барлық аймағын қамтитын Ирландия маяктарының комиссарлары құрды. 300 кГц жиілік диапазонында хабар тарататын жүйе сынақтан өтті және жүйе 2002 жылы пайдалануға берілгенге дейін тағы екі қосымша хабар таратушы қосылды. Effective Solutions сайтында Еуропалық дифференциалдық маяктар туралы толық мәліметтер мен картасы ұсынылған.

АҚШ NDGPS

АҚШ Көлік департаменті Федералдық автомобиль жолдары басқармасы, Федералдық теміржол басқармасы және Ұлттық геодезиялық зерттеумен бірлесіп, АҚШ Жағалау күзетшілерін АҚШ-тың бүкіл ел бойынша DGPS желісін (NDGPS) ұстауға жауапты агенттік етіп тағайындады. Бұл жүйе 1980 жылдардың соңында Жағалау күзеті бастаған және 1999 жылдың наурыз айында аяқтаған бұрынғы Теңіздік дифференциалдық GPS (MDGPS) жүйесінің кеңейтілген нұсқасы болып табылады. MDGPS тек жағалау суларын, Ұлы көлдерді және Миссисипи өзенінің ішкі су жолдарын қамтыды, ал NDGPS оны кеңейтіп, құрлықтағы АҚШ-тың барлық аймағын қамтуға мүмкіндік берді. Орталықтандырылған басқару және бақылау бөлімі – Александрия қаласында орналасқан USCG Навигациялық орталығы. АҚШ желісінде қазіргі таңдағы 85 NDGPS нысаны бар, оларды АҚШ Ішкі қауіпсіздік департаментінің Навигациялық орталығы басқарады. 2015 жылы USCG және Америка Құрама Штаттарының Армиялық инженерлік корпусы (USACE) АҚШ DGPS жүйесін кезең-кезеңмен тоқтату жоспары бойынша пікірлер жинады. Алған пікірлерге жауап ретінде, 2016 жылғы Федералдық тізілімде 46 станция қызметте қалатыны және "теңіз және жағалау аймақтарындағы пайдаланушыларға қолжетімді" болатыны жарияланды. Осы шешімге қарамастан, USACE қалған 7 нысанын жойып, 2018 жылдың наурыз айында USCG қалған станцияларын 2020 жылға дейін жабуды жариялады. 2020 жылдың маусым айынан бастап NDGPS қызметі тоқтатылды, себебі 2000 жылы таңдамалы қолжетімділікті алып тастау және жаңа буын GPS спутниктерін енгізу оны қажетсіз етті.

Канадалық DGPS

Канадалық жүйе АҚШ жүйесіне ұқсас және негізінен Атлантика және Тынық мұхит жағалауларын, сондай-ақ Ұлы көлдер мен Сент-Лоуренс теңіз жолын қамтитын теңіздік қолданысқа арналған. 2022 жылдың 15 желтоқсанынан бастап қызмет көрсету тоқтатылды.

Австралия

Австралияда үш DGPS жүйесі бар: біреуі негізінен теңіз навигациясына арналған, оның сигналы ұзақ толқын диапазонында таратылады; екіншісі жерді зерттеу және құрлықта навигациялау үшін қолданылады, ал түзетулер коммерциялық FM радио диапазонында таратылады. Сидней әуежайындағы үшіншісі қазіргі уақытта ұшақтардың дәл қонуын сынаудан өтіп жатыр (2011 жылғы мәлімет бойынша), кем дегенде 2015 жылға дейін аспаптық қону жүйесіне резервтік нұсқа ретінде. Ол Жерге негізделген күшейту жүйесі деп аталады. Ұшақтың орналасуына түзетулер авиациялық VHF диапазоны арқылы таратылады. Австралия жағалауын қамтитын 16 жердегі станциялардың теңіз DGPS қызметі 2020 жылдың 1 шілдесінен бастап тоқтатылды. Жақсартылған көп арналы GPS мүмкіндіктері және GPS, GLONASS, Galileo және BeiDou сияқты бірнеше провайдерлерден алынған сигнал көздері, GPS + DGPS-тен қарағанда жақсы навигациялық дәлдік беретіні айтылды. Geoscience Australia (GA) басқаратын Австралияның спутниктік күшейту жүйесі (SBAS) жобасы алдағы 2-3 жыл ішінде (2020 жылдың қыркүйегіне қарай) GNSS пайдаланушыларына жоғары дәлдікпен орналасу мүмкіндігін ұсынады.

Кейінгі өңдеу

Дифференциалдық GPS-те кейіннен өңдеу белгілі нүктелермен, мысалы, геодезиялық белгілермен байланыстыра отырып, белгісіз нүктелердің нақты орналасуын алу үшін қолданылады. GPS өлшемдері әдетте GPS қабылдағыштарында компьютер жадында сақталады, содан кейін GPS кейіннен өңдеу бағдарламалық жасақтамасын іске қосатын компьютерге жіберіледі. Бағдарламалық қамтамасыз ету екі немесе одан көп GPS қабылдағыштарынан бір уақытта алынған өлшем деректерін пайдаланып, базалық сызықтарды есептейді. Базалық сызықтар – GPS антенналары орналасқан екі нүкте арасында салынған үш өлшемді сызық. Кейіннен өңделген өлшемдер дәлірек орналасуға мүмкіндік береді, себебі көптеген GPS қателері әрбір қабылдағышқа шамалы дара әсер етеді және осылайша есептеулерде жойылуы мүмкін. Дифференциалдық GPS өлшемдерін кейбір GPS қабылдағыштары жеке радио қабылдағыш арқылы түзету сигналын алған жағдайда, нақты уақытта есептеуі мүмкін, мысалы, Нақты уақыт кинематикалық (RTK) геодезиясы немесе навигациясында. GPS орналасуын жақсарту үшін кез келген жағдайда екі немесе одан көп қабылдағыштың бір уақытта өлшенуі қажет емес, сонымен қатар бір құрылғыны арнайы қолдану арқылы да жүзеге асыруға болады. 1990 жылдары тіпті қолда ұсталатын қабылдағыштардың өте қымбат болған кезінде, қабылдағыштың позицияны жылдам ауыстыруы немесе 3-10 геодезиялық нүктенің циклдары арқылы жартылай дифференциалдық GPS-тің бірнеше әдістері әзірленді.