Вердуин Я. и др. Справочник по радиоконтролю

Подождите немного. Документ загружается.

- 499 -

Глава 6

BASE KNOWN POSITION REMOTE CORRECTED POSITION

DATA LINK-RANGE CORRECTION

РИСУНОК 6-1

Дифференциальная система GPS

Поскольку отдельные псевдорасстояния должны корректироваться до формирования

навигационного решения, реализация дифференциальной системы GPS (DGPS) требует наличия в

эталонном приемнике прикладной программы, которая могла бы следить за всеми видимыми

спутниками и вычислять поправки на отдельные псевдорасстояния для каждого спутника. Эти

поправки передаются на удаленный или мобильный исследовательский приемник, который должен

быть способен применять эти поправки на отдельные псевдорасстояния к каждому спутнику,

используемому в навигационном решении. Применение простой поправки к определению

местоположения, переданной от эталонного приемника к удаленному, имеет ограниченное влияние

на полезные расстояния, поскольку оба приемника должны использовать для выработки

навигационных решений одну и ту же совокупность спутников; к тому же эти приемники имеют

идентичные (что невозможно для различных местоположений) условия GPDOP (ухудшения

точности при геометрическом определении местоположения), при которых систематические ошибки

воздействуют одинаковым образом.

ЛИНИЯ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ – КОРРЕКЦИЯ РАССТОЯНИЯ

УДАЛЕННАЯ КОРРЕКТИРУЕМАЯ ПОЗИЦИЯ

ИЗВЕСТНАЯ БАЗОВАЯ ПОЗИЦИЯ

- 500 -

Глава 6

Дифференциальная кодовая система GPS (Навигационная)

Дифференциальные поправки могут использоваться в реальном времени или в последующий период

с применением методов постобработки. Поправки в реальном времени могут передаваться по

радиолинии. Поправки DGPS часто передаются в стандартном формате, определяемом

Радиотехнической комиссией для морских служб (RTCM). Для частных услуг DGPS используются

передачи на ЧМ поднесущей, спутниковые линии или радиомаяки частного пользования для

применений в реальном времени. Чтобы повысить точность определения местоположения, на

эталонной станции должны вычисляться дифференциальные поправки, и далее они должны

применяться на удаленном приемнике с частотой обновления, меньшей чем время корреляции

системы селективной доступности (SA). Предлагаемые значения частоты обновления DGPS обычно

меньше 20 секунд.

Система DGPS устраняет ошибки общего режима, то есть ошибки, общие как для эталонного, так и

для удаленного приемников (не связанные с многолучевостью или с шумом приемника). Более

часто ошибки являются общими, когда приемники расположены близко друг к другу (менее 100 км).

При использовании систем DGPS, основанных на SPS сигналах с кодом С/А, возможны точности

дифференциального определения местоположения в пределах 1–10 м. При передаче информации о

времени с одной станции на другую дифференциальные методы могут привести к точности порядка

10 нс при базисной линии 2000 км.

6.1.3 ГЛОНАСС

6.1.3.1 Обзор системы

Полностью развернутая группировка ГЛОНАСС состоит из 24 спутников в трех орбитальных

плоскостях. Спутники ГЛОНАСС предоставляют два типа навигационных сигналов: сигнал

высокой точности и сигнал стандартной точности. Сигнал высокой точности предназначен в первую

очередь для санкционированных пользователей. Для обеспечения ионосферной коррекции сигналы

высокой точности передаются в поддиапазонах L1 и L2. Для всех пользователей открыт бесплатный

доступ к сигналам стандартной точности в частотном поддиапазоне L1. Характеристики

навигационного сигнала стандартной точности, приведенные в табл. 6-2, могут быть значительно

улучшены при использовании дифференциального режима навигации и/или дополнительных

специальных методов измерений.

ТАБЛИЦА 6-2

Прогнозируемые значения точности системы ГЛОНАСС

Прогнозируемые значения точности ГЛОНАСС

Точность по горизонтали (95%) 28 м

Точность по вертикали (95%) 60 м

Точность времени (95%) 700 нс

Вектор скорости 15 см/с

6.1.3.2 Возможности, предоставляемые при совместном использовании систем ГЛОНАСС

и GPS

Пользовательский сегмент систем GPS и ГЛОНАСС состоит из антенн и приемников с

возможностями обработки, позволяющими осуществлять прием сигналов и принимать

навигационное решение для предоставления пользователям информации о местоположении,

скорости и точном времени. Спутники передают псевдослучайный синхронизирующий сигнал и

- 501 -

Глава 6

навигационное сообщение, в которое включены параметры орбиты для каждого спутника

(эфемериды). В приемнике данные об эфемеридах используются для определения местоположения

спутника. Принимая данные о точном местоположении четырех спутников, приемник может

определить свое собственное трехмерное местоположение и информацию о времени.

Современные методы цифровой обработки сигналов обеспечивают возможность обработки

сигналов GPS и ГЛОНАСС с использованием одной и той же архитектуры приемника, несмотря на

указанные в табл. 6-3 различия. Диапазоны частот систем GPS и ГЛОНАСС близки друг к другу,

что позволяет в аппаратуре пользователя применять объединенную антенну и общий входной

предусилитель. Проект оптимального приемника и соответствующее программное обеспечение для

обработки сигналов позволят разработать объединенный приемник, стоимость которого лишь

ненамного выше приемников GPS и ГЛОНАСС. Различия в представлении информации об

эфемеридах и альманахов частот в системах GPS и ГЛОНАСС не создают препятствий для работы

аппаратуры пользователя. Программное обеспечение навигационного процессора предусматривает

соответствующую коррекцию и позволяет вести обработку обоих потоков данных.

Аппаратура пользователя, являющаяся наиболее гибкой частью всей системы, постоянно

совершенствуется. В настоящее время большинство действующих приемников являются

многоканальными и позволяют отслеживать псевдодальности и псевдоскорости одновременно по

нескольким спутникам, находящимся в зоне видимости. Таким образом, они обеспечивают

максимальную точность и целостность навигационных наблюдений. Технический прогресс в

области цифровой обработки сигналов обеспечивает возможность очень высокой степени

интеграции, что позволяет выполнить дискретное преобразование и цифровую обработку сигналов

спутников почти сразу после входного устройства.

Совместная работа систем GPS и ГЛОНАСС обеспечивает существенные преимущества по

сравнению с автономным использованием каждой из этих систем:

Повышенная доступность: При работе в условиях наличия препятствий, например в горной

местности или в городских "каньонах", удвоение количества доступных спутников часто означает

получение надежного решения вместо отсутствия отсутствия решения для отдельных приемников

GPS или ГЛОНАСС.

Повышенная точность: Большее количество спутников обычно приводит к лучшей геометрии

пользователь-спутник (PDOP).

Более быстрый холодный старт: Когда в приемнике предположительно отсутствует информация о

местоположении или времени, вероятность обнаружения спутника возрастает с увеличением

количества спутников, находящихся в зоне видимости, сокращая при этом время сбора данных.

Устойчивая целостность системы: Возможность обнаружения и изоляции неисправного спутника

существенно возрастает при увеличении количества спутников, находящихся в зоне видимости.

Кроме того, опора на две независимые системы обеспечивает дополнительный уровень целостности

вместо неисправной работы той или иной широкой системы.

На рынке доступно оборудование с использованием сигналов навигационных спутников систем GPS

и ГЛОНАСС одновременно с топологическим и геодезическим обзором на суше, на море и в

воздухе. Это оборудование при работе в дифференциальном режиме гарантирует точность

геодезической фиксации для земных станций в пределах 1–3 см + 10

–6

L (L = 1000 км), где L –

расстояние между геодезическими станциями, автомобилями, воздушными судами и морскими

судами.

6.1.3.3 Характеристики систем GPS и ГЛОНАСС

Характеристики систем GPS и ГЛОНАСС приведены в табл. 6-3.

- 502 -

Глава 6

ТАБЛИЦА 6-3

Сравнение систем GPS, ГЛОНАСС и GPS + ГЛОНАСС

Параметр ГЛОНАСС GPS

Способ представления информации

об эфемеридах

Координаты ECEF и их

производные первого и второго

порядка

Модифицированные кеплеровские

элементы орбиты

Геодезическая система координат PZ-90 WGS-84

Коррекция времени системы

относительно UTC

UTC [Советский Союз]

UTC [Морская обсерватория

США (USNO)]

Число спутников (полностью

задействованных)

24 21 + 3 запасных

Число орбитальных плоскостей 3 6

Наклонение орбиты 64,8° 55°

Высота орбиты 19 100 км 20 180 км

Период обращения 11 ч 15 мин. 12 ч

Метод разделения сигналов

спутников

МДЧР МДКР

Полоса частот диапазона L1 (МГц) 1 601,489–1 609,8235

(1 597,5515–1 605,886)

(1)

1 575,42 ± 1,023

Полоса частот диапазона L2 (МГц) 1 245,489–1 252,1985

(1 242,4265–1 249,136)

(1)

1 227, 6 ± 1,023

Длительность передачи альманаха 2,5 мин. 12,5 мин.

Емкость суперкадра 7 500 битов (5 кадров) 37 500 битов (25 кадров)

Длина кадра 30 с 30 с

Период повторения синхрокода 2 с 6 с

Уровень взаимных помех между

соседними каналами

–48 дБ –21 дБ

Тактовая частота кода С/А 0,511 МГц 1,023 МГц

Длина кода С/А (символы) 511 1023

Тип кода С/А

PRN последовательность

максимальной длины

Коды Гоулда

Модуляция 2-ФМн 2-ФМн

Скорость передачи навигационных

данных

50 бит/с 50 бит/с

Параметры точности (Стандарты, 95%) ГЛОНАСС GPS

GPS + ГЛОНАСС

По горизонтали 28 м 22 м 20 м

По вертикали 40 м 33 м 30 м

Скорость 15 см/с 0,5 м/с 5 см/с

Синхронизация 0,7 мкс 0,20 мкс 0,25 мкс

(1)

До 2005 года и в последующем (в скобках)

(2)

Цифры для системы GPS основаны на службе SPS без SA.

- 503 -

Глава 6

6.1.4 Будущая система РНСС "Galileo"

Система Galileo – это продукт европейской инициативы по разработке важнейшего компонента

РНСС, предназначенного прежде всего для рассмотрения потребностей всемирного гражданского

сообщества. Принципиальным элементом является спутниковая группировка, обеспечивающая

глобальное покрытие. Под руководством Европейского союза и Европейского космического

агентства этап определения программы работ начался в 1999 году с целью начального

развертывания системы в 2005 году с выходом на полные эксплуатационные возможности к

2008 году.

Galileo служит дополнением к системам GPS и ГЛОНАСС. Поэтому Galileo будет полностью

совместима, будет способна к взаимодействию с этими системами РНСС и предоставит

возможности использования всех доступных систем навигации. В то же время Galileo является

системой, независимой от GPS и ГЛОНАСС. Это ее свойство независимости от GPS и ГЛОНАСС

обеспечит то, что критические применения в целях безопасности будут защищаться от сбоев,

характерных для общего режима.

Galileo предложит базовые услуги для мобильных или стационарных приемников, принимающих

сигналы только на одной частоте, и предложит услуги с более высокой точностью для мобильных

или стационарных приемников, принимающих сигналы на двух частотах, с тем чтобы ошибки из-за

задержек в ионосфере могли автономно уменьшаться.

Кроме того, Galileo предложит услуги с более высокой точностью для мобильных или стационарных

приемников, принимающих сигналы на одной спутниковой частоте, а также принимающих сигналы

от местной дифференциальной станции, которая может корректировать аномалии, вызванные

спутником и явлениями распространения.

Вычисления были проведены для наиболее возможной группировки системы Galileo на основе

спутников МЕО (средневысотная околоземная орбита).

Galileo может предложить следующие возможности точного определения местоположения,

скорости и времени для различных категорий обслуживания (см. табл. 6-4).

ТАБЛИЦА 6-4

Ожидаемые значения точности для системы Galileo

Приемник, работающий

на одной частоте

Приемник, работающий

на двух частоте

Приемник

дополнительного сигнала

от местной

дифференциальной

станции

По горизонтали 15 м 4 м 0,8 м (условно)

По вертикали 35 м 8 м 1,2 м (условно)

Скорость 50 см/с 20 см/с 20 см/с

Время 50 нс (условно) 30 нс (условно) 30 нс (условно)

Частота

3 × 10

–13

(условно) 3 × 10

–13

3 × 10

–13

- 504 -

Глава 6

Литература

GLONASS ICD [1998] Global Navigation Satellite System GLONASS. Interface Control Document (4th

edition), Moscow. [Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Документ по

управлению интерфейсом (4-е издание), Москва].

ICD-GPS-200C [12 April 2000] Global Positioning System. Interface Control Document.

Signal specification [2 June 1995] Global Positioning System, Standard Positioning Service, 2nd Edition.

Galileo RNSS: http://www.galileo-pgm.org/

GLONASS: http://www.rssi.ru/SFCSIC/english.html

USCG Navigation Center: http://www.navcen.uscg.mil/gps/default.htm

Interagency GPS Executive Board (IGEP): http://www.igeb.gov/

European Space Agency: http://www.esa.int/

Рекомендация МСЭ-R:

ПРИМЕЧАНИЕ. – В каждом случае следует использовать последнее издание Рекомендации.

Рекомендация МСЭ-R TF.767 – Использование глобальной навигационной спутниковой системы для передачи

высокоточных сигналов времени.

- 505 -

Глава 6

6.2 Карты

Стр.

6.2 Карты.......................................................................................................................................... 506

6.2.1 Использование карт для работы станции радиоконтроля................................................. 506

6.2.2 Источники цифровых данных................................................................................................ 507

6.2.2.1 Бумажные (отпечатанные) карты.......................................................................................... 507

6.2.2.2 Изображения со спутников, аэрофотосъемка и лазерное сканирование........................ 508

6.2.3 Типы данных на цифровых картах ....................................................................................... 510

6.2.3.1 Политические карты, дорожные карты и справочные фотографии местности ............ 511

6.2.3.2 Цифровая модель местности.................................................................................................. 511

6.2.3.3 Данные о строениях и цифровая модель возвышений ...................................................... 512

6.2.3.4 Данные о местных помехах.................................................................................................... 513

6.2.3.5 Цифровая карта мира МСЭ .................................................................................................... 513

6.2.4 Разрешающие способности карт для вычислений по распространению радиоволн ... 514

6.2.5 Системы координат ................................................................................................................. 515

- 506 -

Глава 6

6.2 Карты

6.2.1 Использование карт для работы станций радиоконтроля

В настоящее время цифровые Географические информационные системы (ГИС) – это один из

ключевых элементов компьютеризированных систем автоматического управления

использованием спектра и его контроля. Система ГИС может успешно применяться в системах

контроля, работающих в автономном режиме или в составе интегрированных систем управления

использованием спектра.

Применение цифровой системы ГИС весьма целесообразно по ряду причин: наиболее очевидно, что

ГИС обеспечивает быстрый и детальный обзор географического размещения важных для проведения

радиоконтроля объектов, таких как места расположения лицензированных и нелицензированных

передатчиков из базы данных управления использованием спектра, мест расположения

фиксированных станций контроля, мест расположения подвижных измерительных станций,

расчетных мест расположения неизвестных передающих станций на основе данных пеленгации и

многое другое. В зависимости от потребностей эти объекты могут быть отображены на различных

картах. Может использоваться политическая карта, позволяющая уточнить, находится ли данный

объект в определенном регионе или стране, или карта дорог – для проверки (уточнения) того,

проводились ли измерения вдоль определенной дороги или в нужном городе.

При отображении этих объектов на цифровых картах система контроля способна при этом в случае

подключения к центральной базе данных системы управления использованием спектра обеспечить

очень быстрый и удобный доступ к их возможностям, включая наиболее важную техническую и

административную информацию.

Другим необходимым элементом компьютеризированных систем автоматического управления

использованием спектра и его контроля является вычисление на базе подходящих моделей

распространения радиоволн прогнозируемой напряженности поля передающих станций. Более

реалистические модели распространения радиоволн требуют доступа к различным типам

географических сведений, в том числе топографических данных, данных о землепользовании, а в

некоторых случаях могут потребоваться и другие типы данных для обеспечения надлежащих

расчетов. В рамках цифровой системы ГИС такие географические данные обычно представляются в

виде карт различных уровней. Поэтому цифровое картографирование является необходимой основой

для большинства вычислений по распространению радиоволн (см. также раздел 6.4). Однако создание

базы данных о рельефе местности зачастую является дорогостоящей задачей.

Несмотря на то, что такие расчеты обеспечивают лишь приближение к значениям из набора

реальных сценариев излучений в течение длительного времени, тем не менее они могут быть

использованы при моделировании зон покрытия, идентификации и анализе результатов реальных

измерений. Измерения напряженности поля и определение местоположения (излучателей)

наиболее важны при проверке излучений передающих станций на соответствие их лицензиям по

всем показателям.

Расчеты распространения радиоволн в значительной степени зависят от качества исходных данных.

Для всех вычислений одной из важных задач является правильный выбор разрешения

используемого уровня карты. Основная зависимость, которую следует принимать во внимание, это

зависимость между разрешением используемого уровня карты и рассматриваемой частотой и

мощностью передачи. Как правило, используемое разрешение должно быть выше при возрастании

частоты и снижении мощности излучения. Необходимое разрешение связано с дальностью действия

излучения, причем, чем дальность меньше, тем разрешение должно быть лучше; оно также зависит

и от других параметров, таких как конкретная радиослужба или исследуемый географический

район. Например, в горном районе вычисления могут быть основаны на данных с высоким

разрешением, тогда как более низкое разрешение обычно бывает достаточным для равнинной

местности. На используемую разрешающую способность действуют также такие факторы как

стоимость, наличие цифровых данных и соответствующего программного компьютерного

обеспечения, чтобы использовать эти данные.

- 507 -

Глава 6

6.2.2 Источники цифровых данных

Цифровые топографические данные могут быть доступны во многих форматах от множества

различных источников – наиболее часто от правительственных организаций различных стран.

Единственная унифицированная цифровая топографическая база данных для большей части земного

шара находится в [GLOBE, 2001]. Программа GLOBE – это файл цифровых топографических

данных, охватывающих большую часть мира.

Наиболее общие источники для формирования цифровых географических данных – это обычные

карты на бумажной основе, изображения, полученные со спутников, и аэрофотоснимки. В

настоящее время на рынке появились такие новые технологии, как "Лазерное сканирование",

обеспечивающие более высокую степень автоматизации при формировании цифровой модели

местности (ЦММ). Цифровые модели местности (ЦММ) с разрешением 100 м или 200 м и данные о

мешающих отражениях от земной поверхности или наземных предметов (clutter data), полученные из

обычных карт на бумажной основе, доступны почти по всему миру. Из-за появления микроячеек

при планировании сотовых РЧ систем и новых цифровых радиоизлучений типа "пункт–много

пунктов" (РМР), фиксированного беспроводного доступа (FWA), универсальной системы

подвижной связи (UMTS), теперь потребуются данные гораздо более высокой точности. Цифровые

модели местности с разрешающей способностью 10 м, 5 м и даже 1 м, получаемые на изображениях

со спутников, при аэрофотосъемке или лазерном сканировании, постепенно заменяют ЦММ,

сформированные при обработке обычных бумажных карт.

Источники полезных данных должны отвечать следующим условиям:

Доступность: необходимо проверять, не защищен ли источник данных авторским правом или

засекречен правительственными или военными полномочными органами.

Качество и плотность информации: запрашиваемые типы информации, содержащейся в конкретном

источнике данных, не всегда отвечают потребностям пользователя. Более того, в ряде стран точность

и надежность карт не отвечают даже обычным требованиям.

Современная информация: Во многих странах и для многих типов источников данных интервал

между их обновлениями может быть очень большим, что в частности отражается на надежности

определения уровней землепользования и линейных характеристик. И напротив, значения величин

возвышения, которые требуются для составления ЦММ, остаются достоверными длительный период

(при отсутствии землетрясений).

6.2.2.1 Бумажные (отпечатанные) карты

Информация, изображаемая на обычной бумажной карте может быть преобразована в цифровую

форму, удобную для получения географической базы данных. ЦММ можно интерполировать по

цифровым контурам. Карты землепользования и линейные характеристики (векторы) могут быть

получены с помощью сканирования карт и преобразовывая растра в векторную информацию.

В табл. 6-5 представлена информация о достижимой точности преобразованных в цифровую форму

данных местности из типовых бумажных карт различных масштабов.

ТАБЛИЦА 6-5

Типичная достижимая точность для различных масштабов карт

Масштаб карты XY Z – плоская территория Z – Горная зона

1:25 000 10 м 2,5 м 10 м

1:50 000 20 м 7 м 10 м

1:100 000 40 м 10 м 20 м

1:200 000 80 м 20 м 40 м

1:250 000 100 м 25 м 50 м

1:500 000 250 м 60 м 150 м

- 508 -

Глава 6

В настоящее время сканирование карт является самым дешевым и самым быстрым способом

создания географических баз данных средней точности для больших территорий. Карты масштаба

1:200 000 или более крупного имеются в наличии почти повсеместно. Обычно их можно получить и

отсканировать без каких-либо значительных затруднений. Информация, представленная на картах

такого масштаба, как правило бывает достаточно достоверной для эксплуатационных потребностей.

В качестве приближенного метода, с помощью сканирования карт лучшая достижимая

разрешающая способность ЦММ, с учетом производственных расходов и точности, зависит от

масштаба карты и может быть рассчитана следующим образом. Масштаб карты принимается

равным реальной длине 1 мм на карте. Поскольку это критическая величина для разрешающей

способности глаза, то разрешающая способность карты ограничивается этой длиной. Поэтому, для

бумажной карты с масштабом карты 1:50 000 разрешающая способность ЦММ достигает 50 м, а для

бумажной карты с масштабом карты 1:250 000 достижима разрешающая способность 250 м.

При этом точность направления по осям координат ХY определяется главным образом толщиной

линий контуров высоты на карте. Точность определения направления по оси Z связана с

количеством имеющихся контуров на каждый район и типом этого района.

6.2.2.2 Изображения со спутников, аэрофотосъемка и лазерное сканирование

Спутники оптического наблюдения Земли оснащены пассивными приборами, предназначенными для

измерения яркости или радиометрии поверхности Земли в различных "оптических" диапазонах волн.

Такой спутник характеризуется параметрами его орбиты и наличием приборов наблюдения с

получением изображений, которыми и определяется разрешающая способность системы. Большинство

спутников наблюдения Земли находятся на гелиосинхронных орбитах на высоте около 800 км. Это дает

им возможность получать изображения фактически любой точки поверхности Земли (если

позволяет облачность), охватывая зону в несколько тысяч квадратных километров, и проходить над

любой заданной точкой земной поверхности через регулярные временные интервалы.

Главным недостатком данных, получаемых со спутников оптического наблюдения, является

ограниченная разрешающая способность изображений. Оборудование формирования изображений и

датчики, установленные на спутниках гражданского назначения, не способны создавать изображения

земной поверхности с очень высокой разрешающей способностью, находясь на гелиосинхронных

орбитах. Кроме того, использование оптических приборов не позволяет "видеть" сквозь облачность,

дымку или туман.

Характеристики некоторых оптических спутников, используемых в коммерческих целях, приведены в

табл. 6-6.

ТАБЛИЦА 6-6

Перечень нескольких оптических спутников, находящихся на орбите

Спутник Владелец Датчик Разрешение Размер изображения

Landsat Space Iмaging Corporation TМ 30 м (МS) 185 км

Landsat-7 Space Iмaging Corporation ETМ 30 м (МS)

15 м (PAN)

185 км

HRМSI

10 м (МS)

5 м (PAN)

60 км

SPOT

CNES (Centre National d'Études

Spatiales)

HRV

20 м (МS)

10 м (PAN)

60 км

JERS-1

NASDA (Национальное агентство по

космическим разработкам)

ADEOS

16 м (МS)

8 м (PAN)

75 км

IRS-1C LISS-III 23 м 70 км

PAN 5,8 м 70 км

Выборка спутников на орбите (MS – многоспектральный датчик; PAN – панхроматический датчик).