Повышение точности глобального позиционирования: системы DGPS и WAAS

Введение

Улучшение системы глобального позиционирования, обеспечивающее повышенную точность. Дифференциальные глобальные системы позиционирования (DGPS) дополняют и повышают точность позиционных данных, получаемых от глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS). DGPS для GPS может увеличить точность примерно в тысячу раз, с приблизительно до. DGPS состоят из сетей стационарных наземных опорных станций. Каждая опорная станция вычисляет разницу между своей высокоточной известной позицией и менее точной позицией, определенной по спутникам. Станции передают эти данные локально, как правило, с помощью наземных передатчиков меньшей дальности. Мобильные приемники используют эти данные для корректировки своего местоположения на ту же величину, тем самым повышая свою точность. Береговая охрана США (USCG) ранее использовала DGPS в Соединенных Штатах на длинноволновых радиочастотах между и вблизи крупных водных путей и портов. Система была прекращена в марте 2022 года. DGPS, используемая USCG, была известна как NDGPS (Nationwide DGPS) и совместно управлялась Береговой охраной и Инженерным корпусом армии. Она состояла из вещательных станций, расположенных на всей территории Соединенных Штатов, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико, как во внутренних, так и в прибрежных районах. Канадская береговая охрана (CCG) также использовала отдельную систему DGPS, но прекратила ее использование 15 декабря 2022 года. Другие страны также имеют свои собственные системы DGPS. Аналогичная система, которая передает поправки со спутников на орбите вместо наземных передатчиков, называется системой спутникового усиления Wide Area DGPS (WADGPS).

История

Когда GPS впервые был введен в эксплуатацию, вооруженные силы США выражали обеспокоенность по поводу возможности использования глобально доступных сигналов GPS противником для наведения собственных систем вооружения. Первоначально правительство полагало, что сигнал "грубого захвата" (C/A) обеспечит точность лишь около , но с улучшением конструкций приемников фактическая точность оказалась выше. Начиная с марта 1990 года, чтобы избежать предоставления такой неожиданной точности, сигнал C/A, передаваемый на частоте L1, был намеренно ухудшен путем внесения случайного смещения в его временную метку, эквивалентного примерно расстоянию. Эта техника, известная как селективная доступность (SA), существенно снизила полезность сигнала GPS для гражданских пользователей. Более точное наведение было возможно для пользователей двухчастотных GPS-приемников, принимавших также частоту L2, однако передача L2, предназначенная для военного использования, была зашифрована и доступна только авторизованным пользователям, имеющим ключи дешифрования. Это создавало проблему для гражданских пользователей, полагавшихся на наземные радионавигационные системы, такие как LORAN, VOR и NDB, содержание которых обходилось в миллионы долларов в год. Появление глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) могло обеспечить значительно более высокую точность и производительность за гораздо меньшую стоимость. Однако точность, присущая сигналу SA, была слишком низкой, чтобы это стало реальностью. Военные получили многочисленные запросы от Федерального управления гражданской авиации (FAA), Береговой охраны США (USCG) и Министерства транспорта США (DOT) об отказе от SA для обеспечения гражданского использования GNSS, но оставались непреклонны в своем возражении из соображений безопасности. В начале и середине 1980-х годов ряд ведомств разработал решение "проблемы" SA. Поскольку сигнал SA изменялся медленно, влияние его смещения на определение местоположения было относительно фиксированным – то есть, если смещение составляло "100 метров на восток", это смещение оставалось верным на относительно большой площади. Это наводило на мысль, что передача этого смещения в местные GPS-приемники могла бы устранить влияние SA, в результате чего измерения приблизились бы к теоретической точности GPS, около . Кроме того, еще одним важным источником ошибок в определении местоположения GPS являются задержки распространения в ионосфере, которые также можно было измерять и корректировать при передаче. Это позволило повысить точность примерно до , чего более чем достаточно для большинства гражданских нужд. Береговая охрана США была одним из наиболее активных сторонников DGPS, экспериментируя с системой в расширяющихся масштабах в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Эти сигналы передаются на длинноволновых морских частотах, которые могут приниматься существующими радиотелефонами и передаваться в оснащенные соответствующим образом GPS-приемники. Почти все крупные производители GPS предлагали устройства с входами DGPS не только для сигналов USCG, но и для авиационных устройств на диапазонах VHF или коммерческих AM. Сигналы DGPS "производственного качества" начали передаваться в ограниченном режиме в 1996 году, и сеть была быстро расширена, чтобы охватить большинство портов США, а также судоходный путь Святого Лаврентия в партнерстве с канадской береговой охраной. Были разработаны планы по расширению системы по всей территории США, но это было непросто. Качество коррекций DGPS, как правило, снижалось с увеличением расстояния, а крупные передатчики, способные охватывать большие территории, как правило, располагались вблизи городов. Это означало, что в малонаселенных районах, особенно на Среднем Западе и на Аляске, покрытие наземным GPS было бы ограниченным. По состоянию на ноябрь 2013 года национальная система DGPS USCG состояла из 85 вещательных станций, обеспечивающих двойное покрытие почти всей береговой линии США и внутренних судоходных водных путей, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Кроме того, система обеспечивала одинарное или двойное покрытие для большей части внутренних территорий Соединенных Штатов. Вместо этого FAA (и другие) начали изучать возможность трансляции сигналов по всему полушарию со спутников связи на геостационарной орбите. Это привело к созданию системы расширения зоны действия (WAAS) и аналогичных систем, хотя они обычно не называются DGPS или, альтернативно, "широкозонной DGPS". WAAS обеспечивает точность, аналогичную наземным сетям DGPS USCG, и высказывались аргументы о том, что последние будут отключены по мере полной операционной готовности WAAS. К середине 1990-х годов стало ясно, что система SA больше не полезна в своей первоначальной роли. DGPS сделает ее неэффективной на территории США, где она считалась наиболее необходимой. Кроме того, во время войны в Персидском заливе 1990–1991 годов SA была временно отключена, поскольку войска союзников использовали коммерческие GPS-приемники. Это показало, что отключение SA может быть полезным для Соединенных Штатов. В 2000 году президент Билл Клинтон издал исполнительный указ об ее окончательном отключении. Тем не менее, к этому времени DGPS превратилась в систему, обеспечивающую более высокую точность, чем даже сигнал GPS без SA. Существует несколько других источников ошибок, которые имеют те же характеристики, что и SA, а именно, они одинаковы на больших территориях и в течение "разумного" периода времени. К ним относятся ионосферные эффекты, упомянутые ранее, а также ошибки в данных эфемерид о положении спутников и дрейф часов на спутниках. В зависимости от объема данных, передаваемых в сигнале коррекции DGPS, коррекция этих эффектов может значительно уменьшить ошибку, а лучшие реализации обеспечивают точность менее . В дополнение к продолжающемуся развертыванию систем, спонсируемых USCG и FAA, ряд поставщиков создали коммерческие услуги DGPS, продавая свой сигнал (или приемники для него) пользователям, которым требуется более высокая точность, чем номинальные 15 метров, обеспечиваемые GPS. Почти все коммерческие GPS-устройства, даже портативные, теперь предлагают входы данных DGPS, а многие также поддерживают WAAS напрямую. В некоторой степени DGPS теперь является естественной частью большинства операций GPS.

When GPS was first being put into service, the US military was concerned about the possibility of enemy forces using the globally available GPS signals to guide their own weapon systems. Originally, the government thought the "coarse acquisition" (C/A) signal would give only about , but with improved receiver designs, the actual accuracy was Starting in March 1990, to avoid providing such unexpected accuracy, the C/A signal transmitted on the L1 frequency was deliberately degraded by offsetting its clock signal by a random amount, equivalent to about of distance. This technique, known as Selective Availability, or SA for short, seriously degraded the usefulness of the GPS signal for non military users. More accurate guidance was possible for users of dual frequency GPS receivers which also received the L2 frequency , but the L2 transmission, intended for military use, was encrypted and was available only to authorized users with the decryption keys. This presented a problem for civilian users who relied upon ground based radio navigation systems such as LORAN, VOR and NDB systems costing millions of dollars each year to maintain. The advent of a global navigation satellite system (GNSS) could provide greatly improved accuracy and performance at a fraction of the cost. The accuracy inherent in the S/A signal was however too poor to make this realistic. The military received multiple requests from the Federal Aviation Administration (FAA), United States Coast Guard (USCG) and United States Department of Transportation (DOT) to set S/A aside to enable civilian use of GNSS, but remained steadfast in its objection on grounds of security. Through the early to mid 1980s, a number of agencies developed a solution to the SA "problem". Since the SA signal was changed slowly, the effect of its offset on positioning was relatively fixed – that is, if the offset was "100 meters to the east", that offset would be true over a relatively wide area. This suggested that broadcasting this offset to local GPS receivers could eliminate the effects of SA, resulting in measurements closer to GPS's theoretical performance, around Additionally, another major source of errors in a GPS fix is due to transmission delays in the ionosphere, which could also be measured and corrected for in the broadcast. This offered an improvement to about accuracy, more than enough for most civilian needs. The US Coast Guard was one of the more aggressive proponents of the DGPS, experimenting with the system on an ever wider basis through the late 1980s and early 1990s. These signals are broadcast on marine longwave frequencies, which could be received on existing radiotelephones and fed into suitably equipped GPS receivers. Almost all major GPS vendors offered units with DGPS inputs, not only for the USCG signals, but also aviation units on either VHF or commercial AM radio bands. "Production quality" DGPS signals began to be sent out on a limited basis in 1996, and the network was rapidly expanded to cover most US ports of call, as well as the Saint Lawrence Seaway in partnership with the Canadian Coast Guard. Plans were put into place to expand the system across the US, but this would not be easy. The quality of the DGPS corrections generally fell with distance, and large transmitters capable of covering large areas tend to cluster near cities. This meant that lower population areas, notably in the midwest and Alaska, would have little coverage by ground based GPS. As of November 2013 the USCG's national DGPS consisted of 85 broadcast sites which provide dual coverage to almost the entire US coastline and inland navigable waterways including Alaska, Hawaii, and Puerto Rico. In addition the system provided single or dual coverage to a majority of the inland portion of United States. Instead, the FAA (and others) started studying broadcasting the signals across the entire hemisphere from communications satellites in geostationary orbit. This led to the Wide Area Augmentation System (WAAS) and similar systems, although these are generally not referred to as DGPS, or alternatively, "wide area DGPS". WAAS offers accuracy similar to the USCG's ground based DGPS networks, and there has been some argument that the latter will be turned off as WAAS becomes fully operational. By the mid 1990s it was clear that the SA system was no longer useful in its intended role. DGPS would render it ineffective over the US, where it was considered most needed. Additionally, during the Gulf War of 1990–1991 SA had been temporarily turned off because Allied troops were using commercial GPS receivers. This showed that leaving SA turned off could be useful to the United States. In 2000, an executive order by President Bill Clinton turned it off permanently. Nevertheless, by this point DGPS had evolved into a system for providing more accuracy than even a non SA GPS signal could provide on its own. There are several other sources of error which share the same characteristics as SA in that they are the same over large areas and for "reasonable" amounts of time. These include the ionospheric effects mentioned earlier, as well as errors in the satellite position ephemeris data and clock drift on the satellites. Depending on the amount of data being sent in the DGPS correction signal, correcting for these effects can reduce the error significantly, the best implementations offering accuracies of under
In addition to continued deployments of the USCG and FAA sponsored systems, a number of vendors have created commercial DGPS services, selling their signal (or receivers for it) to users who require better accuracy than the nominal 15 meters GPS offers. Almost all commercial GPS units, even hand held units, now offer DGPS data inputs, and many also support WAAS directly. To some degree, a form of DGPS is now a natural part of most GPS operations.

Операция

Справочная станция рассчитывает дифференциальные поправки для своего местоположения и времени. Пользователи могут находиться на расстоянии до 200 морских миль (370 км) от станции, однако некоторые компенсируемые ошибки меняются в зависимости от местоположения: в частности, ошибки эфемерид спутников и те, что возникают из-за ионосферных и тропосферных искажений. Поэтому точность DGPS уменьшается с увеличением расстояния от справочной станции. Эта проблема может усугубиться, если пользователь и станция не имеют прямой видимости друг к другу – то есть не видят одни и те же спутники.

Точность

Федеральный план радионавигации США и рекомендация IALA о производительности и мониторинге служб DGNSS в диапазоне 283,5–325 кГц ссылаются на оценку Министерства транспорта США 1993 года относительно увеличения погрешности от места передачи, но измерения точности через Атлантический океан, в Португалии, указывают на ухудшение всего лишь .

Вариации

DGPS может относиться к любому типу наземной системе повышения точности (GBAS). По данным Береговой охраны США, 47 стран используют системы, подобные американской NDGPS (Национальной дифференциальной глобальной системе позиционирования). Список можно найти в базе данных DGPS для радиолюбителей-дальнобойщиков (Dxers).

Европейская сеть DGPS

Европейская сеть DGPS была разработана в основном финскими и шведскими морскими администрациями с целью повышения безопасности в архипелаге между этими странами. В Великобритании и Ирландии система была внедрена как средство морской навигации для восполнения пробела, образовавшегося после прекращения работы системы Decca Navigator в 2000 году. Сеть, состоящая из 12 передатчиков, расположенных вдоль береговой линии, и трех контрольных станций, была создана в 1998 году соответствующими Генеральными управлениями маяков (GLA) – Trinity House, охватывающим Англию, Уэльс и Нормандские острова, Northern Lighthouse Board, охватывающим Шотландию и остров Мэн, и Commissioners of Irish Lights, охватывающим всю Ирландию. Система передает в диапазоне 300 кГц, прошла тестирование, и до 2002 года, когда система была признана работоспособной, были добавлены два дополнительных передатчика. Подробную информацию и карту европейских дифференциальных маяковых передатчиков можно найти в "Effective Solutions".

NDGPS Соединенных Штатов

Министерство транспорта США совместно с Федеральным управлением автомобильных дорог, Федеральным управлением железных дорог и Национальной геодезической службой назначило Береговой охраной США агентством по обслуживанию национальной сети DGPS США (NDGPS). Система является расширением предыдущей системы морского дифференциального GPS (MDGPS), которую Береговая охрана начала разрабатывать в конце 1980-х годов и завершила в марте 1999 года. MDGPS охватывала только прибрежные воды, Великие озера и внутренние водные пути реки Миссисипи, в то время как NDGPS расширила покрытие на всю континентальную часть Соединенных Штатов. Централизованным центром управления и контроля является Навигационный центр Береговой охраны США, расположенный в Александрии, штат Вирджиния. В настоящее время в сети США насчитывается 85 станций NDGPS, администрируемых Центром навигации Министерства внутренней безопасности США. В 2015 году Береговая охрана США и Инженерный корпус армии США (USACE) запросили отзывы о планируемом поэтапном выводе из эксплуатации системы DGPS США. В ответ на полученные отзывы последующее уведомление в Федеральном реестре в 2016 году объявило, что 46 станций останутся в эксплуатации и будут "доступны пользователям в морских и прибрежных районах". Несмотря на это решение, USACE вывела из эксплуатации свои оставшиеся 7 объектов, а в марте 2018 года Береговая охрана США объявила о выводе из эксплуатации своих оставшихся станций к 2020 году. По состоянию на июнь 2020 года все услуги NDGPS были прекращены, поскольку они больше не считаются необходимыми в связи с отменой избирательного ограничения доступа в 2000 году и внедрением нового поколения спутников GPS.

Канадский DGPS

Канадская система аналогична американской и предназначена главным образом для использования в мореплавании, охватывая Атлантическое и Тихоокеанское побережья, а также Великие озера и судоходный канал Святого Лаврентия. Предоставление этой системы как услуги было прекращено с 15 декабря 2022 года.

Австралия

В Австралии функционируют три системы DGPS: одна предназначена главным образом для морской навигации и вещает сигнал в длинноволновом диапазоне; другая используется для геодезических и наземных навигационных работ, а корректирующая информация передается в коммерческом FM-диапазоне. Третья, расположенная в аэропорту Сиднея, в настоящее время проходит испытания для обеспечения точной посадки самолетов (2011) в качестве резервной системы инструментальной посадки, по крайней мере, до 2015 года. Она называется наземной системой повышения точности. Корректировки местоположения воздушных судов транслируются через авиационный VHF-диапазон. Морская служба DGPS, состоящая из 16 наземных станций, охватывающих побережье Австралии, была прекращена с 1 июля 2020 года. Улучшенные многоканальные возможности GPS и источники сигналов от различных поставщиков (GPS, ГЛОНАСС, Galileo и BeiDou) были названы причиной обеспечения более высокой навигационной точности, чем можно было достичь с помощью GPS + DGPS. Австралийский проект спутниковой системы повышения точности (SBAS), возглавляемый Geoscience Australia (GA), обеспечит более точное позиционирование для пользователей GNSS в ближайшие 2–3 года (по состоянию на сентябрь 2020 года).

Последующая обработка

Пост-обработка используется в дифференциальной GPS для получения точных координат неизвестных точек путем их привязки к известным точкам, таким как геодезические знаки. Измерения GPS обычно сохраняются в памяти GPS-приемников и затем передаются на компьютер с установленным программным обеспечением для пост-обработки GPS. Программное обеспечение вычисляет базовые линии, используя одновременные данные измерений с двух или более GPS-приемников. Базовая линия представляет собой трехмерную линию, соединяющую точки расположения пар антенн GPS. Пост-обработанные измерения обеспечивают более точное определение местоположения, поскольку большинство ошибок GPS оказывают примерно одинаковое влияние на каждый приемник и, следовательно, могут быть компенсированы в расчетах. Дифференциальные измерения GPS также могут вычисляться в реальном времени некоторыми GPS-приемниками при получении корректирующего сигнала через отдельный радиоприемник, например, в геодезических или навигационных системах Real Time Kinematic (RTK). Улучшение точности позиционирования GPS не всегда требует одновременных измерений с двух или более приемников, но может быть достигнуто и с помощью специального использования одного устройства. В 1990-х годах, когда даже портативные приемники были достаточно дорогими, были разработаны некоторые методы квазидифференциальной GPS, использующие приемник в быстром последовательном определении координат или в петлях из 3–10 геодезических точек.