Точность в один сантиметр с использованием метода точного позиционирования PPP (Precise Point Positioning)

Точность в один сантиметр с использованием метода точного позиционирования PPP (Precise Point Positioning)

Навигация всегда считалась неотъемлемой и наиболее важной составляющей глобальной спутниковой навигационной системы. Ее основной целью является предоставление приемникам информации о погрешностях спутниковых часов и параметров для расчета положения спутников и иных значений для более точных измерений.

Как бы то ни было, архитектура системы NAVSTAR GPS, ГЛОНАСС, появилась в те времена, когда вычисление расстояния рассчитывалось на основе лишь кодовых измерений и когда спутники редко связывались с наземной частью системы.

С момента запуска системы GPS ее технология сделала огромный скачок вперед. Архитектура систем GNSS должна развиваться в соответствии с требованиями наших реалий: большинство существующих приемников способны производить не только кодовые измерения, но и фазовые.

Ожидаемая эволюция GNSS-систем позволит достигать точности в несколько сантиметров в режиме реального времени везде и всегда. Технология для такой эволюции уже доступна и позволит улучшить традиционную спутниковую навигацию на два порядка, тем самым повысив точность в 100 раз.

Эволюция должна стать настолько же важной для общества в плане точности, как и остановка избирательной доступности для GPS в 2000 году. Большинство из нас должны помнить, что избирательная доступность была функцией системы GPS, которая преднамеренно генерировала случайные временные погрешности на открытых сигналах, используемых гражданскими пользователями, для ухудшения их качества, в то время как специальные военные приемники могли использовать более точные закодированные P(Y)-кодом сигналы.

Потребность в большей точности

Для начала всем гражданским пользователям стоит обратить внимание на тот факт, что открытая служба GPS (так называемая Standard Positioning Service или SPS) не применялась в качестве отдельного сервиса для гражданских лиц, а лишь в качестве неотъемлемой части военной службы (Precise Positioning Service, PPS). До недавнего времени все военные приемники использовали код SPS C/A для синхронизации времени и отслеживания кодированных военных сигналов (P/Y-код).

Так что изначальная заинтересованность Министерства обороны США в службе SPS не была обусловлена желанием представить всему человечеству бесплатный публичный сервис. Как бы то ни было, ограничения криптологии и состояние электронной инженерии во времена разработки GPS не оставили другого выбора, иначе как представить общественности открытую службу. С тех пор, естественно, появились новые методы, которые позволили военным получить прямой доступ к P/Y-кодам без использования службы SPS.

Когда система GPS начала действовать точность SPS оказалась намного выше, чем ожидалось и сначала даже показалось, что она представляет угрозу национальной безопасности США. Затем Министерство обороны США приняло меры для понижения точности, использовав ранее упомянутую избирательную доступность. Правда, после этого, во время первой войны в Персидском Заливе и в Боснии стало понятно, что недостатки открытой службы перевешивают чашу весов в сравнении с ожидаемыми тактическими преимуществами. Более того, многие гражданские эксперты в навигации нашли способы обхода этого ухудшения сигнала.

Остановка избирательной доступности в мае 2000 года совпала с резким ростом использования этой службы на массовом рынке, где первой оказалась автомобильная навигация. Такое решение оказалось весьма полезным для широкого использования спутниковой навигации, так как до этого точность была недостаточной для дорожной навигации (при этом ее хватало для транзитной и морской навигации).

С 2000 года Министерство обороны США постепенно повышает точность своей системы, как для гражданского, так и для военного использования. Более высокая точность SPS уже не представляет угрозы национальной безопасности. В любом случае, у Министерства всегда есть возможность прибегнуть к созданию помех во времена войны или кризиса для защиты своих ресурсов и ресурсов союзников от оружия и артиллерии, управляемых с помощью спутниковой радионавигации.

Сейчас система является первой работоспособной военной системой, преимуществ которой в гражданском секторе намного больше, чем в военном.

Историческая зависимость от внешней поддержки

И хотя Минобороны США довело уровень точности открытой службы до предела (сейчас она составляет от 3 до 4 метров для одиночного автономного приемника), для многих пользователей такая точность кажется недостаточной.

Точность систем GNSS снижается из-за ряда погрешностей, связанных либо со спутниковой системой, либо с физической природой нашей планеты (преломление и затухание сигналов, проходящих через тропосферу и ионосферу). Сумма этих погрешностей может быть подсчитана в любой точке Земли, если известны точные координаты приемника, и они остаются действительными в течение заданного короткого промежутка времени.

Корректировки, совершаемые опорными станциями, значительно повысили уровень точности позиционирования с момента изобретения системы GPS. Такой метод корректировки более известен под названием “дифференциальный GPS”, но здесь мы его будем называть «дифференциальная коррекция».

Появилось большое количество публичных компаний, которые начали предлагать дифференциальную коррекцию в режиме реального времени, ставшую полезным дополнением к службе Standard Positioning Service. Некоторые картографические компании разработали сервисы дифференциальной коррекции в масштабах страны, в-основном с помощью сети наземных опорных станций, транслирующих коррекционные данные. Органы управления гражданской авиацией предложили дифференциальную коррекцию на территории континентов, которая основывается на измерениях сети опорных станций и коррекционных данных, предоставляемых геостационарными спутниками (американская WAAS, европейская EGNOS, японская MSAS).

Различные коммерческие системы дифференциальной коррекции дают точность от метра до десяти сантиметров. Но такой уровень точности является недостаточным в определенных сферах гражданского применения, например, в геодезии, в наблюдении за Землей и в точном управлении транспортом, например, в прибрежной разведке месторождений, в горнодобывающей отрасли и в автоматизированном сельском хозяйстве.

Для достижения точности менее десяти сантиметров спутниковая навигация должна учитывать сложности физики радиоволн и характеристики сигналов в пространстве. Точность позиционирования прямо пропорциональна точности рассчитанного расстояния между спутником и приемником и зависит от точности расчета положения спутников и погрешностей их часов.

Первые GPS-приемники на массовом рынке могли измерять лишь коды сигналов и связанные с ними навигационные сообщения. Теперь же приемники могут обрабатывать еще и фазовые значения.

Для вычисления неизвестных или целочисленных погрешностей, связанных с фазовыми значениями, последние 15 лет используют два основных метода:

- использование дифференциальной коррекции с помощью опорной станции – такой метод известен под названием RTK (Real Time Kinematic);

- получение новой и более точной информации о положении спутников и погрешности их часов – метод, получивший название Precise Point Positioning (PPP).

Оба метода имеют свои преимущества и недостатки, описанные в профильной литературе.

RTK дает моментальное высокоточное решение в статичных и динамичных режимах, но только вблизи опорной станции, положение которой известно с высокой точностью. Этот метод подразумевает наличие канала связи от опорной станции до приемника, что, в свою очередь, вызвало появление ряда коммерческих сервисов от частных компаний, таких как NavCom Technology, OmniSTAR и Veripos.

Режим PPP сначала использовался в режиме постобработки сервером, который принимает наблюдаемые значения, полученные движущимся приемником из определенного местоположения, и который обладает привилегированной информацией о точном положении спутников и погрешности их часов. В последнее время некоторые общественные организации сделали эту информацию доступной в режиме квазиреального времени на веб-сайтах таким образом, что стало возможным проводить послеоперационные вычисления в режиме реального времени. Успеху таких веб-сайтов мешает отсутствие доступа в Интернет у большинства приемников. Коррекция в режиме реального времени, в противоположность послеоперационной коррекции, осуществляется с помощью трансляции эфемерид и погрешностей часов навигационных спутников через геостационарные спутники. В отличие от RTK, PPP действует по всему миру и не требует наличия опорной станции. Одним из недостатков этого метода является то, что коррекция в режиме реального времени требует времени разогрева приемника около тридцати минут. Это время можно сократить с помощью увеличения производительности чипсетов, использования нескольких групп спутников или использования более двух частот.

Два вышеописанных метода с течением времени получили развитие. Например, RTK сейчас использует сеть из нескольких опорных станций вместо одной. Метод PPP применяется с использованием одной, двух или трех навигационных частот и одной или нескольких групп спутников.

И все же, оба метода, похоже, дают один уровень точности. К тому же, они не исключают друг друга и могут использоваться в сочетании. Несмотря на это, только метод PPP является глобальным автономным методом корректировки (т.е. без поддержки опорной станции). Именно поэтому предполагается, что PPP станет следующим шагом в спутниковой навигации.

Технические и политические препятствия

Перед тем как метод PPP станет реальностью, ему нужно преодолеть несколько технических препятствий:

- Продолжительность во времени связи станции со спутником не гарантирована архитектурой нынешних систем GNSS. Но эта проблема может быть решена при наличии большего количества станций связи, большего количества антенн на этих станциях или с появлением межспутниковой связи.

- Информация должна быть грамотно уплотнена для уменьшения эффектов хэндовера, когда спутник переключается с одной станции на другую, и случайной маскировки спутников.

И все же основной проблемой в применении метода PPP является политическая составляющая. Естественно, зачем операторам GNSS-систем вкладывать средства в необходимые усовершенствования архитектуры нынешнего наземного сегмента?

Те, кто примут такое решение, будут озадачены вопросом: даст ли переход на метод PPP преимущества пользователям в государственном секторе и станет ли это благом для тех, кто уже сейчас использует высокоточные сервисы.

Даст ли метод PPP преимущества государственному сектору, включая военных? Ответ – да. Высокоточная навигация позволит вертолетам, самолетам и беспилотникам летать на малой высоте при слабой видимости, либо ее отсутствии, даже в сложных условиях (например, в горной местности). Данный метод даст преимущества и таким пользователям как полиция, сельскохозяйственные структуры, геодезические и картографические компании.

Вклад данного метода в гражданскую авиацию пока не подвергался глубокому изучению, но можно представить, что в будущем метод PPP предложит более высокий уровень безопасности и даже сможет конкурировать с нынешними спутниковыми системами дифференциальной коррекции (SBAS), используемыми на гражданских самолетах.

Высокая точность: технологический рывок

В случае если оператор GNSS-системы объявит о решении транслировать коррекционные данные с использованием метода PPP и опубликует интерфейсный документ этого сервиса, это даст начало появлению приемников нового поколения, новых сервисов для использования в тех сферах, где требуется особо высокая точность, и новых цифровых карт с намного более высоким разрешением.

Такой технологический толчок не сделает революцию, подобную той, что произвело завершение использования избирательной доступности в 2000 году. Скорее всего, это станет долгим эволюционным процессом. Высокая точность может стать новым стандартом для массового рынка приемников.

Если учесть, что метод PPP нельзя не принимать во внимание, решение о неиспользовании коррекционных данных, составляющих данный метод коррекции, может стать «избирательной недоступностью». Другими словами, это позволит говорить о намеренном решении системных операторов не предоставлять новый продукт.

В завершение стоит отметить, что существуют убедительные аргументы, которые приведут к переходу операторов GNSS-систем на применение метода PPP в качестве дополнения к традиционной спутниковой навигации. Вопрос заключается не в том, согласятся ли они на это, а в том, когда это произойдет, и кто станет первым.

По материалам:

http://www.insidegnss.com/node/2977

Права на перевод - ©GPSClub.ru

Публикация материала возможна при указании активной ссылки на источник перевода.
Сайтам, принадлежащим Gurtam Marketing, любое копирование материала запрещено.