Введение
Дифференциальная система GPS StarFire - это дифференциальная система GPS широкой области, разработанная компанией NavCom от John Deere и группами точного земледелия. StarFire передает дополнительную "информацию о коррекции" по спутниковым частотам L-диапазона по всему миру, позволяя приемнику StarFire производить измерения позиции с точностью менее одного метра, при этом типичная точность за 24-часовой период составляет менее 4,5 см. StarFire похож на дифференциальную GPS Wide Area Augmentation System (WAAS) FAA, но значительно более точный из-за ряда методов, которые улучшают обработку его приемника.
StarFire is a wide area differential GPS developed by John Deere's NavCom and precision farming groups. StarFire broadcasts additional "correction information" over satellite L band frequencies around the world, allowing a StarFire equipped receiver to produce position measurements accurate to well under one meter, with typical accuracy over a 24 hour period being under 4.5 cm. StarFire is similar to the FAA's differential GPS Wide Area Augmentation System (WAAS), but considerably more accurate due to a number of techniques that improve its receiver end processing.
Предыстория
StarFire появился после встречи в 1994 году среди инженеров John Deere, которые пытались наметить курс на будущее развитие. В то время ряд небольших компаний пытались внедрить системы картографирования урожайности, сочетающие GPS-приемник с зерновым счетчиком, который производил карты поля, показывающие его урожайность. Инженеры считали, что это одно из самых интересных достижений в отрасли, но точность GPS, тогда еще использующая селективную доступность, была слишком низкой, чтобы создать полезную карту. Различные провайдеры обанкротились в течение следующих нескольких лет. В 1997 году была сформирована команда, которая решила проблему обеспечения более точного GPS-настройки. Вместе с членами инженерной команды John Deere, в небольшом проекте в Стэнфордском университете также приняли участие инженеры NASA в Лаборатории реактивного движения. Они решили создать систему dGPS, которая довольно сильно отличалась от аналогичных систем, таких как WAAS.
Устранение неточности GPS
В теории сигнал GPS с отключенной селективной доступностью предлагает точность порядка 3 м. На практике типичная точность составляет около 15 м. Из этих 12 м около 5 м связано с искажением от "боев" в ионосфере, которые вводят задержки распространения, которые заставляют спутник казаться дальше, чем он есть на самом деле. Еще 3-4 м приходится на ошибки в данных спутниковых эфемерид, которые используются для расчета позиций спутников GPS, и на часовой дрейф в внутренних атомных часах спутника. dGPS исправляет эти ошибки путем сравнения позиции, измеренной с помощью GPS, с известной высокоточной базой на земле, а затем рассчитывает разницу и передает ее пользователям. Некоторые из этих исправлений применяются к любому месту, например, исправления часов и данных эфемерид. Напротив, волны покрывают только определенную часть неба, поэтому коррекция, измеренная на любой наземной станции, действительно полезна только для приемников, расположенных поблизости. Чтобы сделать корректировки точными на большой площади, нужно было бы развернуть много наземных справочных станций и передать значительное количество данных для тонко разделенных мест. Например, WAAS использует двадцать пять станций в континентальной части США, разрабатывая сетку с расстоянием 5х5 градусов. Вместо этого StarFire использует передовой приемник для коррекции ионосферных эффектов внутри. Для этого он улавливает сигнал P ((Y), который передается на двух частотах, L1 и L2, и сравнивает влияние ионосферы на время распространения двух. Используя эту информацию, ионосферные эффекты могут быть рассчитаны с очень высокой степенью точности, что означает, что StarFire dGPS может компенсировать изменения в задержке распространения. Второй сигнал P(Y) зашифрован и не может быть использован гражданскими приемниками напрямую, но StarFire не использует данные, содержащиеся в сигнале; вместо этого он только сравнивает фазу двух сигналов. Это дорого с точки зрения электроники, требует второго тюнера и отличной стабильности сигнала, чтобы быть полезным, поэтому StarFire не более широко используется (по крайней мере, когда он был создан). С ионосферной коррекцией, обрабатываемой внутри, сигнал StarFire dGPS значительно сокращается в объеме информации, которую он должен нести, которая состоит из набора коррекционных сигналов только для спутниковых данных. Поскольку эти корректировки важны во всем мире, и в любой момент времени в эксплуатации только 24 спутника, общий объем информации довольно ограничен. СтарФайр передает данные со скоростью 300 бит в секунду, повторяясь один раз в секунду. Обычно корректировки действуют около 20 минут. В дополнение к эфемеридным и часовым коррекциям сигнал также содержит информацию о состоянии каждого спутника, предлагая качественные данные в почти реальном времени, с задержкой около 3 секунд в обновлении сигналов с наземной станции.
Of this 12 m, about 5 m is due to distortion from "billows" in the ionosphere, which introduce propagation delays that makes the satellite appear farther away than it really is. Another 3 to 4 m is accounted for by errors in the satellite ephemeris data, which is used to calculate the positions of the GPS satellites, and by clock drift in the satellite's internal atomic clocks. dGPS correct for these errors by comparing the position measured using GPS with a known highly accurate ground reference, and then calculating the difference and broadcasting it to users. Some of these corrections apply to any location the corrections to the clocks and ephemeris data for instance. In contrast, the billows cover only a certain portion of the sky, so a correction measured at any one ground station is only really useful for receivers located nearby. To make the corrections accurate over a large area, one would need to deploy many ground reference stations and broadcast a considerable amount of data for finely divided locations. For instance, WAAS uses twenty five stations in the continental US, developing a grid spaced 5x5 degrees. StarFire instead uses an advanced receiver to correct for ionospheric effects internally. To do this, it captures the P(Y) signal that is broadcast on two frequencies, L1 and L2, and compares the effects of the ionosphere on the propagation time of the two. Using this information, the ionospheric effects can be calculated to a very high degree of accuracy, meaning the StarFire dGPS can compensate for variations in propagation delay. The second P(Y) signal is encrypted and cannot be used by civilian receivers directly, but StarFire doesn't use the data contained in the signal; it only compares the phase of the two signals instead. This is expensive in terms of electronics, requiring a second tuner and excellent signal stability to be useful, which is why the StarFire like solution is not more widely used (at least when it was being created). With the ionospheric correction handled internally, the StarFire dGPS signal is greatly reduced in the amount of information it needs to carry, which consists of a set of correction signals for the satellite data alone. Since these corrections are globally valid, and there are only 24 satellites in operation at any time, the total amount of information is quite limited. StarFire broadcasts this data at 300 bits per second, repeating once a second. The corrections are generally valid for about 20 minutes. In addition to ephemeris and clock corrections, the signal also contains information on the health of each satellite, offering quality of service data in near real time, with about a 3 second delay in updating the signals from the ground station.
Версии
Звездный Огонь развивался в двух версиях. Первый, известный в обратном порядке как SF1, предлагал точность 1 сигма примерно 1 м. Его погрешность составляла около 15-30 см, что означает, что, хотя отображаемая позиция (абсолютная точность) может быть отклонена примерно на 1 м, она может вернуть вас в пределах сантиметров от ранее измеренного места (относительная точность). Этого было достаточно для предполагаемой роли, полевых исследований. Эта система была впервые предложена в 1998 году, и после ее замены сигнал SF1 теперь предлагается бесплатно. Новая система SF2 была введена в 2004 году. Это значительно улучшает точность, с абсолютной точностью 1 сигма около 4,5 см. Другими словами, StarFire будет оставлять вас в пределах 4,5 см от определенной географической точки 65% времени, и будет точностью менее 10 см около 95% времени (2 сигма). Относительная точность также улучшена, примерно до 2,5 см. В частности, сигнал SF2 обеспечивает коррекцию как для американского GPS-созвездия, так и для российской системы GLONASS. John Deere представила сигнал SF3 в 2016 году, немного улучшив точность и уменьшив время затягивания на 67% по сравнению с SF2. Компания развернула в общей сложности 60 наземных справочных станций для генерации сигнала SF3. Как и в случае с SF2, SF3 обеспечивает исправления для спутников GPS и GLONASS. Даже если сигнал коррекции StarFire теряется более 20 минут, внутренние ионосферные коррекции сами по себе дают точность около 3 м. Приемники StarFire также принимают сигналы WAAS, игнорируя их ионосферные данные и используя их (менее подробные) эфемеры и данные настройки часов для обеспечения точности около 50 см. Для сравнения, "нормальные" GPS-приемники обычно имеют точность около 15 м, а те, которые используют WAAS, улучшают ее примерно до 3 м.
Справочные станции
Когда StarFire был первоначально развернут, он использовал семь справочных станций в континентальной части США. Коррекции, генерируемые на этих станциях, отправляются на две избыточные станции обработки (одна из них расположена рядом с базовым/мониторным местом), а затем полученный сигнал передается с восточного побережья США. Все станции связаны через Интернет, с выделенными линиями ISDN и VSAT-ссылками в качестве резервных копий. Полученные сигналы транслировались с канала Inmarsat III. Позже были созданы дополнительные сети StarFire в Южной Америке, Австралии и Европе, каждая из которых управлялась от своих собственных справочных станций и отправляла данные на свои собственные спутники. По мере роста использования системы было принято решение объединить различные "локальные" сети в единую глобальную. Сегодня сеть StarFire использует двадцать пять станций по всему миру, рассчитывая и передавая данные от станций США, как и раньше. Данные, собранные на этих станциях, не зависят от местоположения, в отличие от большинства dGPS, и большое количество сайтов используется в основном для избыточности.
Варианты
John Deere также продает Real Time Kinematic dGPS, StarFire RTK. RTK состоит из небольшого GPS-приемника, установленного на штативе, который использует сигналы StarFire для выполнения собственных dGPS-расчетов относительно точки, обычно угла поля. Затем блок передает эти исправления по радиосоединению на установленные на оборудовании приемники. RTK предлагает абсолютную точность около 2 см и относительную точность в миллиметрах. Такой уровень точности используется для полностью автоматизированного оборудования с автоприводом.