GPS Обзор

Введение

Инициатива создания программы GPS появилась еще 1973 году, когда воздушные силы США, армия, флот, морская пехота и агентство обороны пришло к мысли о целесообразности использования своих объединенных технических ресурсов для развития точной космической навигационной системы.

Кадры из этих учреждений были созваны как база специалистов для открытия офиса совместной программы GPS, а позже, к ним присоединилась группа из девяти стран-членов НАТО. Изначально, главная цель — программы GPS- была военной, но количество гражданских пользователей продолжает расти. GPS обеспечивает высокую точность времени, скорости и передачи данных, а также, решения общих требований позиционирования радио из широкого спектра пользователей. В зависимости от режима использования и используемого оборудования, высокоточные измерения могут быть сделаны в геодезических приложениях. Поэтому и используется в геодезических программах, чтобы дополнить и укрепить базы данных, которые используются для построения моделей гравитационных полей Земли, морских приливов, топографии морской поверхности, ориентации, уровня мирового океана и циркуляции океана. Это особенно подходит для высокой точности небольшой базовой работы. GPS рассматривается в качестве основного инструмента геодезистов из-за впечатляющих совершенных методов и программного обеспечения для обработки, доступности и экономического доступа к GPS оборудованию, портативности и преимуществ международного сотрудничества.

Общее описание системы

Система GPS состоит из трех основных сегментов: пространство, управление и сегмент пользователей. Эксплуатация сегментов пространства и управления курируется Космическим Командованием ВВС США, команда поддержки для GPS-операций является обязанностью ВВС США, Командования Логистики(AFLC).

Космический сегмент

Космический сегмент, в полном объеме пространства, планировался иметь созвездие из 21 спутника, плюс 3 оперативных запчастей, в шести плоскостях с четырьмя спутниками в плоскости. Их орбиты номинально круговые с наклонением в 55 градусов и с периодом в 12 часов. Орбитальная высота составляет около 20 200 км. Все компоненты сигнала контролируются атомными часами, которые являются ключами к точности системы. Коды на них являются данными сообщения навигации, которые включает в себя спутниковые часы и параметры эфемерид, информацию синхронизации UTC и данные о состоянии здоровья сигнала спутника.

 Пользовательский сегмент

Доступ пользователя

Используются два метода, чтобы снизить точность системы.

Избирательная доступность (SA) поражает, в основном, получателя единичного использования и достигается, прежде всего, сглаживанием частоты спутниковых часов. Переданное сообщение также может быть усечено, что закрывает пользователям возможность точно вычислять координаты спутников.

Антиспуфинг (АС) эта функция вызывается независимо, для блокирования потенциального спуфинга (враждебной имитации) пользователей PPS. Эта способность выключает P-код или включается на зашифрованном Y-коде.

Уровни предоставления услуг

Есть два основных уровня обслуживания, предоставляемые GPS:

Служба точного позиционирования (PPS) может обеспечить 8-метровое круговое отклоняющееся позиционирование (CEP) и 100 ns (одна сигма) UTC как время перевозки. CEP определяется как радиус горизонтального круга, содержащего 50% всех возможных фиксаций позиции. Эта услуга доступна только для авторизованных пользователей и предназначена, прежде всего, для военных. Доступ к PPS контролируется министерством обороны США (DOD), ссылаясь на SA и AS.

Стандартное Определение Местоположения (SPS) — услуга специализируется на производстве 100 м горизонтального позиционирования и примерно 337 ns точности передачи времени UTC.

Сегмент -Контроль

Сегмент управления состоит из одной главной станции управления (MCS) в Falcon AFS в Колорадо и пяти станций контроля, расположенных на Гавайях, Кваджалейн, Диего-Гарсия, Аскенсион и MCS. MCS собирает данные отслеживания от станций контроля и вычисляет орбиты спутника и параметры часов. Три опорных станций, которые совмещены с монитора станций на Кваджалейн, Диего-Гарсия и Аскенсион загружают результаты как принято MCS.

Многие другие невоенные станции слежения привносят свой вклад в развитие нефтепереработки орбит и сбора данных для геодинамических исследований. HartRAO, в настоящее время, установили приемник Turbo ROGUE GPS на правах аренды из Лаборатории реактивного движения в Пасадене, штат Калифорния. Ценные данные позволяют нам внести свой вклад в Международную службу GPS для геодинамики (IGS), которая использует данные из глобальной сети более чем пятидесяти станций, расположенных по всему миру. Результаты от Центрального бюро IGS можно найти на http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/global.

GPS –Наблюдатели

Есть два наблюдателя GPS, которые используются для определения местоположения. Низкая точность приложений, таких как навигация, использует псевдо-расстояние. В геодезической съемке носители фазы используются, так как там позволена высокая точность.

Псевдо-расстояние

Определение местоположения GPS основано на концепции. Выраженной во времени прибытия в диапазоне. Простой пример, чтобы рассмотреть эмиссию сигнала в какой-то определенный момент времени t1 от стационарного передатчика. Сигнал поступает на приемник чуть позже, скажем t2. Время разницы t2 — t1 позволяет определить момент прибытия значения (TOA). Путь (расстояние) между приемником и передатчиком может быть найден путем умножения TOA со скоростью распространения сигнала. Когда четыре спутника наблюдаются одновременно, положение (х, у, z) и приемник смещения часов могут быть найдены у одного наблюдателя.

Спутники GPS передают псевдослучайный шум (PRN) последовательно- модуляционных радиоволн.

Характеристика системы точности

Два важных параметра вызывают GPS, чтобы показать распределение статистической точности. Во-первых, существует ошибка в измеренных ОР и, во-вторых, точность, ограничивающаяся фактором из-за геометрии спутников. Эти два фактора являются важными, поскольку они приводят к пониманию ограниченности GPS и позволяет прогнозировать положение и точность времени.

Эквивалент Ошибки Расстояния Пользователя (UERE)

Ошибка в определении PR от каждого спутника вызваны ошибками в прогнозе орбиты спутника, стабильности его часов, ошибки в навигационном сообщении, ионосферных и тропосферных ошибок моделей, а также корреляции ошибок в общем. UERE содержится в навигационном сообщении и в сочетании с факторами DOP, обеспечивающие оценку точности позиционирования в точке, которая может быть достигнута.

Факторы снижения точности (DOP)

Факторы DOP обычно используются как мера ошибки, вносимой эффектом от геометрии распределения спутника на положении и времени обработки.

VDOP Вертикальная DOP- Описывает влияние геометрии спутников на высоте.

HDOP Горизонтальная DOP- Указывает разбавление точности для горизонтальных позиций.

PDOP Статус DOP- Сочетает вертикально-горизонтального значение положения.

TDOP Время DOP- Эффект временного изменения геометрии.

GDOP Геометрическая DOP- Составной показатель вертикально-горизонтальных изменений времени.

Фазы Носителя

Измерения фазы носителя являются более точными, чем измерения PR и используются на коротких и очень длинных базовых линиях с высокой точностью. Фазы волны имеют значение только, когда они указаны относительно другой волны той же частоты.

Точность Фаз Носителя

В общем, вертикальный компонент имеет большое отклонение, чем горизонтальные составляющие. Это связано с тем, что вертикальная составляющая не в соответствии с ограничениями и более чувствительна к ошибкам в тропосферной задержке.

Дифференцирование уменьшает эффект ионосферы и тропосферы, когда приемники находятся близко друг к другу, так что двухчастотная операция не является необходимой для коротких базовых уровней.

Оригинал статьи — http://geodesy.hartrao.ac.za/site/en/resources/gps-overview.html