Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики оценки эффективности широкозонных спутниковых систем при решении геодезических задач

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики оценки эффективности широкозонных спутниковых систем при решении геодезических задач"

На правах рукописи

Суницкий Евгений Иванович

Разработка методики оценки эффективности широкозонных спутниковых систем при решении геодезических задач

Специальность 25.00.32 - Геодезия

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание учёной степени кандидата технических наук

Москва 2005

Работа выполнена на кафедре Высшей геодезии в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК)

Научный руководитель: доктор технических наук

профессор Голубев А.Н.

Официальные оппоненты: доктор технических наук

профессор Яшкин С.Н.

кандидат технических наук Чеховский A.M.

Ведущая организация: 29 Научно-исследовательский

институт Министерства обороны Российской Федерации

Защита диссертации состоится «_»_ 2005 года в _ на

заседании диссертационного совета Д212.143.03 Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, Москва, Гороховский переулок, д. 4 (ауд. 321),

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии (МИИГАиК).

Автореферат разослан «_»_2005 года

Учёный секретарь

диссертационного совета — Климков Ю.М.

¿f/iT

1. Общая характеристика работы

Актуальность работы

В последнее время спутниковые навигационные системы претерпевают ряд изменений по части улучшения. К таким изменениям относится добавление общедоступного С/А кода на частоте L2, а также третьего гражданского сигнала в диапазоне L5 для системы GPS, и ввод в 2008 году европейской СНС.

В настоящее время идёт развитие систем геостационарного дополнения (SBAS-Satellite Based Augmentation System) для навигационных систем, таких как GPS. Указанные системы дополнения в литературе часто называют также широкозонными подсистемами спутниковой дифференциальной навигации, поскольку геостационарные спутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальными поправками, а следовательно, существенно повысить точность определения местоположения на значительно больших территориях. При этом появляется возможность использования простых, компактных и относительно недорогих спутниковых приёмников, позволяющих решать навигационно-геодезические задачи. Широкозонные подсистемы могут найти применение при решении задач морской геодезии, геодезии, точной навигации, ГИС и т.д.

Работа систем геостационарного дополнения основана на формировании корректирующей информации в виде поправок к эфемеридным данным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всем пользователям через геостационарный спутник. При этом не требуется какого-либо дополнительного оборудования к спутниковому приёмнику (например, радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны и спутникового приёмника, правда, для этого необходимо изменить программный код приёмника.

Хотя широкозонные подсистемы с использованием геостационарных спутников применяются уже несколько лет, до сих пор не решена задача установления количественных критериев для оценки эффективности применения систем геостационарных спутников в зависимости от расположения спутникового приёмника по отношению к станциям слежения,

В ДиссеРтаиии

БИБЛИОТЕКА С.Пе «Э

да

предпринята попытка решения этой задачи, которая представляется актуальной и практически значимой.

Цель диссертационной работы

Цель диссертации и ее научная новизна заключается в разработке методики оценки эффективности широкозонных систем, использующих сочетание глобальной спутниковой системы позиционирования и системы геостационарных спутников. Для достижения поставленной цели автором выполнены исследования теоретического и экспериментального характера:

1. теоретически оценена эффективность применения широкозонной системы в зависимости от числа навигационных спутников, получающих поправки от геостационарных спутников;

2. установлены основные критерии для практической оценки эффективности применения систем геостационарных спутников. Разработаны две методики для практической оценки эффективности;

3. проведены экспериментальные исследования по разработанным и предложенным методикам как внутри области, образованной станциями слежения, так и за её пределами (на примере приёмника DG-14/16 компании Thaies Navigation);

4. практически оценена эффективность использования широкозонных систем (со спутниками GPS) в различных условиях.

Методы исследований, достоверность и обоснованность результатов

В работе использованы теоретические и эмпирические методы исследования. Решение задач базируется на теоретической оценке средних квадратических ошибок определения автономных и скорректированных по SBAS координат, экспериментальных данных и теоретических положениях технологии тестирования спутниковой аппаратуры, теории статистической обработки и оценке измерений.

На защиту выносятся:

1. теоретическая оценка эффективности применения систем геостационарных спутников (модельный расчёт);

2. методики для практической оценки эффективности применения систем геостационарных спутников;

3. экспериментальные результаты и выводы, полученные из сравнительных измерений по предложенным методикам.

Научная новизна результатов исследования

Автором впервые осуществлена теоретическая оценка эффективности перспективного метода работы спутниковой аппаратуры, а именно WADGNSS (Wide Area Differential GNSS) метода (модельный расчет). Разработаны и предложены методики для оценки эффективности применения систем геостационарных спутников, а также осуществлены подготовка и реализация сравнительных измерений приёмников, поддерживающих режим работы WADGPS по предложенным методикам. Проведена оценка эффективности применения систем геостационарных спутников систем в различных условиях.

Практическая значимость работы

Предложенные методики для сравнительных измерений, работающих в автономном и скорректированном по SBAS режимах, позволяют численно оценить эффективность использования таких систем в различных условиях. Это может быть полезным при установлении реальных точностных параметров, которые могут быть достигнуты при использовании систем геостационарных спутников в каждом конкретном случае.

Публикации

По теме диссертационной работы опубликовано три научных статьи в журнале «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъёмка» и одна статья в журнале «Геопрофи».

Структура и объем диссертации

Диссертационная работа состоит из введения, трёх глав, заключения и списка использованной литературы из 48 наименований, из них 22 на английском языке. Основная часть работы состоит из 80 страниц машинописного текста, содержит 32 рисунка, 18 таблиц и 11 приложений.

2. Краткое содержание работы

Во введении обосновывается актуальность темы диссертационной работы, формулируется цель, задачи, научная новизна и практическая значимость полученных результатов.

Первая глава посвящена изложению принципов работы систем геостационарных спутников (БВАБ). Системы геостационарных спутников - это системы передачи корректирующей информации со спутника, находящегося на геостационарной орбите, на локальную (равную одной трети от площади поверхности всего земного шара) область всем заинтересованным пользователям. Технология БВАБ основана на формировании корректирующей информации в виде поправок к эфемеридам навигационных спутников и параметрам ионосферной модели и дальнейшей передачи этой информации через геостационарный спутник. Точность определения местоположения увеличивается за счет:

• использования более точных данных об эфемеридах навигационных спутников;

• использования более точной ионосферной модели;

• использования геостационарного спутника в качестве навигационного спутника для вычисления местоположения, поскольку он транслирует в эфир ОР8-подобный сигнал на частоте Ы.

Здесь же проведен анализ ошибок, которые можно уменьшить с помощью БВАБ, и детально рассмотрена корректирующая информация, транслируемая геостационарным спутником, и её применение в аппаратуре пользователя.

Вторая глава содержит аспекты, связанные с теоретической оценкой эффективности использования систем SBAS. Для эффективности Э применения системы SBAS введено соотношение: СП -СП

^^овтономн

где СП - статистический параметр, характеризующий разброс планового положения и вертикальной составляющей (средняя квадратическая ошибка (СКО), амплитуда и т.д.).

Очевидно, что при удалении приёмника за пределы расположения базовых станций системы SBAS, эффективность применения коррекций от геостационарных спутников должна снижаться. Это возникает вследствии того, что приёмник отслеживает навигационные спутники, которые могут не отслеживаться станциями ' слежения системы SBAS, а значит на них нет и коррекций. Для этого был выполнен

расчёт средних квадратических ошибок определения положения приёмника, когда: i • все отслеживаемые приёмником навигационные спутники имеют коррекции от геостационарных спутников;

• ни один навигационный спутник не имеет коррекций от геостационарных спутников;

• для определения положения в обработке участвуют как навигационные спутники, имеющие коррекции от геостационарных спутников, так и навигационные спутники, их не имеющие.

Идея теоретической оценки эффективности, разработанная и предложенная автором настоящей работы, лежит в нахождении средних квадратических ошибок определения местоположения при помощи системы GPS (определение местоположения осуществляется только с помощью навигационных спутников) и при помощи GPS+SBAS (определение местоположения осуществляется с помощью тех же навигационных спутников, но имеющих коррекции). При этом была осуществлена оценка в условиях полной и частичной коррекции спутников. То есть решалась обратная геодезическая задача в пространстве, оценивая средние квадратические ошибки определения координат наземного пункта при различных ошибках исходных

данных (ошибках координат спутников) и ошибках внешней среды (ошибках ионосферы).

Выполнен расчет пространственной средней квадратической ошибки для определенного момента времени. В табл. 1 представлено созвездие GPS спутников на момент 21:18:49 местного времени 2го декабря 2004 года при угле отсечки 5°, отслеживаемое приёмником DG-14/16 на пункте в Москве.

Координаты спутников в системе XYZ _Таблица 1

Информация о GPS спутниках

GPS PRN X, м Y, м Z, м Угол возвышения, градус Азимут, градус

J 2 1 4 3 6

3 19174546.957 3108940.472 18105859.910 61 246

14 15787632.710 21084878.770 -3445194.949 12 162

15 9964015.409 11897309.080 21314177.300 80 96

16 26018939.870 2489689.854 -4757580.177 5 212

18 3211987.115 15125938.870 21673207.210 60 74

19 13323899.280 -7482215.132 21824292.360 43 296

21 -2224906.693 22568475.780 13443365.050 31 96

22 15260194.730 12756860.660 17758903.160 72 172

26 -14107701.020 4608450.368 21772180.890 17 32

29 -15916130.400 1843492.172 21467067.790 11 26

Координаты самого пункта представлены в табл. 2.

Координаты пункта _Таблица 2

Пункт X, м Y, м Z, м

1 Z ) 4

Москва 2861699.368 2195704.226 5242903.509

Так как система геостационарных спутников позволяет снизить ошибки положения навигационных спутников и обеспечить уточнение ионосферной модели, то суммарная ошибка при выполнении спутниковых определений складывается из ошибок эфемерид, ионосферы и тропосферы. Суммарная ошибка равна (на самом деле источников ошибок больше, но для расчета возьмем только основные):

^ общая ~ у^коорд спутников ^ионосферы ^тропосферы ' (2)

В настоящее время средняя квадратическая ошибка положения спутников GPS характеризуется величиной 7.5 м, а передаваемые от геостационарных спутников коррекции увеличивают точность этого положения в три раза. Таким образом, примем среднюю квадратическую ошибку положения спутников GPS в пространстве 7.5 м, а среднюю квадратическую ошибку скорректированного положения 2.5 м. При этом, примем, что ошибки положения спутников по соответствующим осям будут одинаковы:

_ т — т — т*°°РО сщтнико*

тх=ту= т2

71—• (3)

Так как остаточная величина задержки в ионосфере даже после корректировки по модели может доходить до 50 процентов от своего абсолютного значения (то есть до ~25 м), то для расчетов примем, что средняя квадратическая ошибка определения задержки равна 10 м в линейной мере (в большинстве случаев это так). Из-за отсутствия информации примем, что средняя квадратическая ошибка определения задержки сигнала в ионосфере определяется в два раза лучше, чем в GPS, то есть положим среднюю квадратическую ошибку равную 5 м. Погрешность от такого предположения будет небольшой.

Для оценки средней квадратической ошибки определения задержек в тропосфере воспользуемся формулой Саастамойнена:

0.002277 ,гор~ cos(z)

\

e-tg\z)

(4)

где Т, Р и е - температура, давление и влажность соответственно (в точке стояния приёмника),

ъ - зенитное расстояние.

Средняя квадратическая ошибка определения задержки в тропосфере равна:

^М-ъ'+М-ъ'+М-«.'- (5)

При Р=1013 мб, Т=288 К, е=10 мб, т,»=0.665 мб, т,=0.1 К и тс=1 мб будем иметь следующие средние квадратические ошибки определения задержек в тропосфере для наших углов возвышения (см. вторую колонку в табл. 3)-

Таблица 3

Угол возвышения, градус СКО, м

При точном знании метеопараметров При грубом знании метеопараметров

61 0.01 0.22

12 0.05 0.91

80 0.01 0.19

5 0.12 2.17

60 0.01 0.22

43 0.01 0.28

31 0.02 0.37

72 0.01 0.20

17 0.03 0.65

11 0.05 0.99

На практике при решении навигационной задачи ограничиваются знанием стандартных метеопараметров, при этом их значения не изменяют. То есть, предполагается, что измерения производятся при стандартных условиях. Естественно, при таком подходе средняя квадратическая ошибка определения метеопараметров характеризуются другими величинами. Была рассчитана средняя квадратическая ошибка определения задержек в тропосфере для следующих параметров: Р=1013 мб, Т=288 К, е=10 мб, тР=80 мб, Шт=30 К и шс=5 мб. Результаты расчетов приведены в табл. 3 (см. третью колонку).

Из табл. 3 видно, что средняя квадратическая ошибка определения задержек в тропосфере характеризуются небольшими величинами по сравнению со средними квадратическими ошибками определения эфемерид и ионосферы. Было интересно, насколько будет отличаться окончательный результат в зависимости от использования данных из этих двух колонок в табл. 3.

При наличии частично скорректированных спутников учитывался тот факт, что в обработке участвуют как спутники, имеющие коррекции (GPS+SBAS), так и спутники, не имеющие коррекции (GPS). То есть в хороших условиях все спутники

имеют коррекции, а в менее благоприятных только часть из них имеет корректировку. От того, имеет ли спутник коррекции или нет, зависела весовая матрица. То есть, если спутник не имеет коррекций, то в весовой матрице использовалась дисперсия, вычисленная по нескорректированным данным (увеличенным средним квадратическим ошибкам), если имеет, то по скорректированным (уменьшенным средним квадратическим ошибкам). На практике это означает, что пользователь находится за пределами базовых станций слежения и приёмник может иметь лишь частичную корректировку. Проведенные расчеты были выполнены в предположении того, что базовые станции находятся в первом случае на юге относительно определяемого пункта, а во втором на западе (для случая частичной корректировки). При этом добавление скорректированных спутников в первом случае осуществлялось с юга на север, а во втором с запада на восток. Рис. 1 показывает изменение средней квадратической ошибки в зависимости от числа спутников, имеющих коррекции

Рис. 1. Изменение пространственной СКО в зависимости от числа спутников, имеющих коррекции (точное знание метеопараметров)

Здесь изменение средней квадратической ошибки при добавлении скорректированных спутников в направлении с юга на север представлено сплошной линией, а изменение средней квадратической ошибки при добавлении скорректированных спутников в направлении с запада на восток показано пунктирной линией.

Следует добавить, что рассчитанная по представленной выше модели эффективность равна 51.9 % при полной корректировке для случая, когда метеопараметры известны достаточно точно.

Рис. 2 показывает изменение средней квадратической ошибки в зависимости от числа спутников, имеющих коррекции (использовались данные из третьей колонки табл. 3):

Рис. 2. Изменение пространственной СКО в зависимости от числа спутников, имеющих коррекции (грубое знание метеопараметров)

Здесь, как и на рис. 1, изменение средней квадратической ошибки при добавлении скорректированных спутников в направлении с юга на север представлено сплошной линией, а изменение средней квадратической ошибки при добавлении скорректированных спутников в направлении с запада на восток показано пунктирной линией.

Рассчитанная по представленной выше модели эффективность равна 51.4 % при полной корректировке для случая, когда метеопараметры известны грубо.

Из графиков, представленных на рис. 1 и 2, видно, что практически не важно, в какой стороне от потребителя находятся станции слежения системы БВА8.

Как мы видим, конечный результат почти не зависит от точности знания метеопараметров. Это лишь подтверждает тот факт, что применение измеренных на пункте метеопараметров не приводит к значительному улучшению получаемого результата. Именно поэтому нет необходимости встраивать в навигационную аппаратуру метеодатчики. Однако в последнее время стала появляться спутниковая

приёмная аппаратура, позволяющая использовать среднестатистические данные о метеопараметрах для определенной области.

В этой же главе также представлены теоретические аспекты для практической реализации оценки эффективности. Предлагаемые методики оценки эффективности применения систем БВАБ опираются на личный опыт автора. Изучение данного вопроса позволило разработать и предложить две методики для проведения оценки Обозначим их условно как «1 приёмник» и «2 приёмника». Принципиальное отличие этих двух схем состоит том, что при реализации первой схемы достаточно иметь один приёмник, в то время как для осуществления второй схемы необходимо иметь два приёмника. Следует отметить, что эффективность использования приёмников, поддерживающих режим работы WADGNSS, существенно зависит от предполагаемого места их использования и расположения базовых станций слежения. Эффективность использования таких приёмников внутри зоны расположения базовых станций изменяется незначительно. Использование же таких приёмников на краевых областях или даже за границами станций слежения существенно влияет на эффективность применения систем БВА8. Поэтому, если предполагаемый объект работ находится на границе или за пределами зоны расположения базовых станций, то необходимо проверять эффективность применения коррекций в каждом отдельном случае. При проведении измерений внутри зоны расположения базовых станций достаточно один раз оценить эффективность. Для того чтобы определить, где находится пользователь - внутри или за пределами базовых станций слежения, надо на карте соединить последовательно все внешние станции мониторинга. Полученная фигура будет разделять внешнюю и внутреннюю границы. Это наглядно иллюстрируется на рис. 3.

внешняя зона

Рис. 3. Внешняя и внутренняя зоны.

Сказанное выше позволяет установить следующие основные принципы:

• необходимо производить измерения на статическом пункте;

• длительность сбора данных одним приёмником должна быть 24 часа;

• в случае использования двух приёмников измерения должны осуществляться в одно и то же время;

• в случае использования одного приёмника измерения должны осуществляться последовательно, сначала в автономном, а потом в скорректированном по SBAS режиме, или наоборот. При этом интервал между двумя сборами данных не должен превышать нескольких дней;

• в случае двух приёмников необходимо использовать приемники с одинаковым аппаратным исполнением и программным обеспечением;

• оценку необходимо производить отдельно для «плана» и высоты;

• средняя квадратическая ошибка определения координат пункта (для плана и высоты) не должно быть больше 10% от ожидаемой средней квадратической ошибки будущих измерений на этом пункте.

При реализации «метода одного приёмника» необходимо выполнить следующие этапы:

1. установить один исследуемый приёмник на пункте с известными координатами (требуется знание координат пункта в общеземной системе координат (X, Y, Z или В, L, Н) со средней квадратической ошибкой не хуже 10 см);

2. осуществить сбор данных (NMEA или других формата ASCII) в режиме WADGNSS в течение 24 часов (24 часовая выборка является наиболее репрезентативной, т.к. она охватывает по времени как изменение конфигурации созвездия, так и изменение метеопараметров, вызванных сменой дня и ночи);

3. осуществить статистическую обработку данных для трех компонент местоположения (В, L, Н) по внутренней сходимости (если точные координаты пункта не известны) и относительно точного (если точные координаты пункта известны). Найти следующие параметры: 50% и 95% перцентили для плановой и высотной компонент положения при условии, что её центр совмещён с точным

(или средним в случае обработки по внутренней сходимости) значением параметра, а также среднюю квадратическую ошибку;

4. построить графики изменения числа спутников и параметра РЭОР;

5. повторить пункты 1, 2, 3 и 4, но данные необходимо собирать в автономном режиме и в один из последующих дней после сбора \VADGNSS данных, причём необходимо выбрать то же время наблюдений;

6. сравнить графики изменения числа спутников и параметра РООР. Они должны быть похожими (при сборе данных в режиме \VADGNSS число спутников может быть больше на единицу). В случае больших расхождений необходимо повторить сбор данных и статистическую обработку;

7. оценить эффективность применения системы БВАБ.

Такой подход основан на следующих положениях:

• условия приёма сигналов (созвездие спутников) являются практически одинаковыми, при соблюдении 95% совпадения графиков изменения числа спутников и параметра РООР для двух наборов измерений;

• результаты оценки будут наиболее достоверными, если внешние условия, такие как метеопараметры на пункте, состояние ионосферы и т.п. приблизительно одинаковы при обоих сборах данных.

«Методика с использованием двух приёмников» повторяет описанные в предыдущей методике этапы, с той лишь разницей, что сбор данных необходимо осуществлять одновременно двумя приёмниками, один из которых работает в обычном режиме, а второй в скорректированном по БВАБ. При этом необходимо подключить оба приёмника к одной антенне. В данном методе нет необходимости проверять идентичность внешних условий.

Таким образом, при реализации «метода одного приёмника» необходимо принимать гипотезу о том, что условия приёма (созвездие, ионосферная активность, метеопараметры и др.) сигналов от навигационных спутников являются одинаковыми. С другой стороны, при реализации «метода двух приёмников» необходимо принимать гипотезу о том, что оба приёмника являются абсолютно одинаковыми.

Сравнительные достоинства и недостатки описанных выше двух методик оценки приведены в табл. 4.

Достоинства и недостатки двух методик __Таблица 4

Методика Достоинства Недостатки Условия применения

Использование одного приёмника Наличие одного приёмника Измерения проводятся физически одним и тем же оборудованием Оценка занимает в два раза больше времени Необходимо изучать внешние условия (зависит от внешних условий) Необходимость проведения измерений при одних и тех же внешних условиях (ионосфера, состояние группировки и т.п.)

Использование двух приёмников Оценка занимает в два раза меньше времени Нет необходимости изучать внешние условия (не зависит от внешних условий) Наличие двух одинаковых приёмников Измерения проводятся физически разным оборудованием Необходимо подключить оба приёмника к одной антенне

Третья глава является полностью экспериментальной. Для проверки предложенных в предыдущем разделе методик автором выполнены экспериментальные исследования, проведённые в России (Москва) и США (Санта Клара, Калифорния). Все измерения, их обработка и анализ результатов были проведены лично автором данной работы.

Программа выполнения эксперимента включала в себя несколько этапов:

• определение точных координат фазового центра антенны в Москве с использованием пунктов IGS (International GPS Service - Международная GPS служба) в качестве опорных пунктов (Звенигород и Менделеево);

• определение расхождений между точными координатами антенны и выдаваемого положения приемников, работающих в режиме WADGPS, а также в автономном режиме. Тест проходил в Москве (Москва находится далеко за пределами зоны расположения базовых станций известных SBAS систем). Для

дифференциального режима были использованы сигналы от геостационарного спутника, входящего в систему EGNOS;

• определение расхождений между точными координатами антенны и выдаваемого положения приемника, работающего в режиме WADGPS, а также в автономном режиме. Тест был проведен в Санта Кларе (находится внутри зоны расположения базовых станций WAAS системы);

• статистическая оценка результатов;

• обработка и анализ полученных результатов.

При реализации этой программы для определения координат фазового центра антенны в Москве использовался спутниковый двухчастотный GPS приёмник Z-Xtreme компании Thaies Navigation. При этом осуществлялся сбор сырых данных за интервалы 30 секунд. В качестве опорных пунктов использовались пункты MDVO и ZVEN, входящие в сеть IGS.

Вторым этапом исследования являлся сбор и статистический анализ результатов измерений спутникового навигационно-геодезического GPS приёмника с возможностью обрабатывать сигналы от геостационарных спутников систем SBAS. С этой целью был проделан следующий эксперимент. К приёмной антенне, территориально располагающейся в городе Москва (приблизительные координаты: В = 37° 30' N, L = 55° 39' Е, Н = 236 м), были подсоединены два спутниковых GPS приёмника DG-14/16. Они имели одинаковые начальные настройки (угол возвышения 5 градусов, интервал выдачи ASCII данных равен одной секунде). Расположение пункта наблюдений в Москве представлено на рис. 4.

км* i umrr

«tu ai aft

в*«

«МЭ

- . fcjí

Рис. 4. Расположение пункта наблюдений в Москве (Россия)

Таким образом, в конце эксперимента мы получили два набора 24-часовых данных о решении навигационно-геодезической задачи в автономном режиме и в режиме использования коррекций от геостационарных спутников системы EGNOS.

Надо отметить, что точные координаты фазового центра антенны в Москве, к которой были подсоединены приёмники, известны и определены высокоточными методами в системе WGS-84. Эта задача решалась на первом этапе главы 3.

Для обработки ASCII сообщений, построения графиков и получения статистической информации частично использовалась программа DataView v.2, написанная специалистами фирмы Thaies Navigation. Для получения статистических оценок относительно точного значения параметров использовалась программа Excel 2002. Ниже представлены результаты измерений на пункте в Москве.

На рис. 5 и 6 приведены графики изменения широты (для долготы и высоты имеются аналогичные графики) относительно их точных значений при автономном и J скорректированном режимах работы приёмника.

1м Тпи1« frtfti

работы приёмника

LM • Tfusta* grmpto

Рис. 6. Изменение широты относительно точного значения при скорректированном (по ЕСТЮЗ) режиме работы приёмника

На момент наблюдений геостационарный спутник системы EGNOS не передавал эфемеридную информацию о себе. В связи с этим, приёмники не имели возможности использовать дополнительный GPS сигнал от него для вычисления своих координат. Кроме того, при анализе следует учесть тот факт, что ионосферная информация и эфемеридные данные является частично бесполезными для приёмников, находящихся далеко за пределами зоны расположения наземных базовых станций слежения таких систем. Это обусловлено тем, что станции мониторинга систем отслеживают только те GPS спутники, которые находятся в зоне их радиовидимости. И если GPS приёмник находится далеко от базовых станций системы, то он работает по другому созвездию спутников и может использовать SBAS-коррекции частично.

Результаты этого этапа эксперимента представлены в табл. 5.

Оценка по внутренней сходимости Таблица 5.

Режим работы автономный EGNOS

Горизонтальное расхождение между средним и точным значениями, м 0.4 0.3

Вертикальное расхождение между точным и средним значениями (Нточ„ -НсоеДН), м 1.0 0.8

Местоположение в плане, 50%, м 1.4 0.9

Местоположение в плане, 95%, м 2.8 2.0

Местоположение по высоте, 50%, м 1.2 0.9

Местоположение по высоте, 95%, м 3.3 2.5

Среднее квадратическое отклонение в плане, м 1.6 1.1

Среднее квадратическое отклонение по высоте, м 1.5 1.3

Аналогичный эксперимент был проделан на пункте в городе Санта Клара (США, Калифорния) с той лишь разницей, что данные были собраны с помощью одного GPS приёмника сначала в скорректированном режиме, а потом в автономном. Расположение данного пункта представлено на рис. 7.

• .ti t V.'-V ■■

"V^V'i -

Рис. 7. Расположение пункта наблюдений в Санта Кларе (США)

Графики изменения широты (аналогичные графики для долготы и высоты, а также графики числа спутников и параметра РООР имеются в диссертационной работе) представлены на рис. 8 и 9, а результаты обработки - в табл. 6.

Рис. 8. Изменение широты относительно точного значения при автономном режиме

работы приёмника

Рис. 9. Изменение широты относительно точного значения при скорректированном (по WAAS) режиме работы приёмника

Оценка по внутренней сходимости _ Таблица 6.

Режим работы автономный WAAS

Горизонтальное расхождение между средним и точным значениями, м 1.7 0.5

Вертикальное расхождение между точным и средним значениями (Нточ„ -НС[КД„), м 1.9 0.5

Местоположение в плане, 50%, м 2.1 0.9

Местоположение в плане, 95%, м 4.0 1.8

Местоположение по высоте, 50%, м 2.5 1.0

Местоположение по высоте, 95%, м 6.8 3.2

Среднее квадратическое отклонение (СКО) в плане, м 2.4 1.1

Среднее квадратическое отклонение (СКО) по высоте, м 3.6 1.6

%) На рис. 6 (коррекции по EGNOS), иллюстрирующем положение широтной

компоненты относительно точного значения, видно некоторое улучшение в разбросе

f по сравнению с рис. 5 (автономный режим), на котором разброс несколько больше. 4

Получается, что даже в неблагоприятных условиях приёма коррекций от SBAS результат местоположения улучшается. На рис. 8 и 9 видно заметное увеличение точности местоположения, что обусловлено нормальной работой системы WAAS. Для оценки эффективности применения систем SBAS составлена табл. 7.

Увеличение эффективности при применении коррекций в % _ Таблица 7.

Параметр EGNOS*, % WAAS*, %

По внутренней сход iмости:

Местоположение в плане, 50% 40.2 42.6

Местоположение в плане, 95% 29.4 52.0

Местоположение по высоте, 50% 28.0 50.0

Местоположение по высоте, 95% 25.1 46.1

СКО в плане 36.0 45.9

СКО по высоте 26.6 49.6

Пространственная СКО 31.3 47.8

Относительно точного значения:

Местоположение в плане, 50% 39.8 56.9

Местоположение в плане, 95% 30.3 54.7

Местоположение по высоте, 50% 22.3 57.7

Местоположение по высоте, 95% 25.8 53.1

СКО в плане 33.1 56.2

СКО по высоте 13.4 55.0

Пространственная СКО 23.6 55.4

По амплитуде:

В плане 33.8 40.2

По высоте 14.9 47.7

* - более низкая эффективность EGNOS, по сравнению с системой WAAS, обусловлена не низким качеством самой системы, а очень большим удалением исследуемого GPS приёмника от станций слежения, входящих в эту европейскую геостационарную систему.

Как видно из табл. 7, использование SBAS коррекций в неблагоприятных условиях (система EGNOS) приводит лишь к частичному увеличению точности положения, в то время как полностью рабочая система (WAAS) приводит к увеличению точности более чем в два раза. Заметим, что улучшение результатов вызвано использованием только корректирующей информации к эфемеридам и ' ионосфере.

Вышеприведённый анализ позволяет сделать вывод, что можно с уверенностью < говорить о перспективности применения систем геостационарных спутников для увеличения точности и надёжности спутниковых навигационно-геодезических определений. Данный подход может найти применение при решении задач точной навигации, ГИС, поиске полезных ископаемых и т.д. Однако в каждом отдельном случае необходимо оценивать эффективность применения систем SBAS. Для России это крайне актуально, так как на её территории станции мониторинга не располагаются, но увеличение точности вполне возможно.

3. Основные выводы и результаты работы

Результаты выполненных в настоящей работе исследований можно сформулировать следующим образом.

1. Выполнена теоретическая оценка эффективности использования системы геостационарных спутников путём расчета средней квадратической ошибки пространственного положения пункта наблюдений в зависимости от числа навигационных спутников, принимающих коррекции от

ч • 23

геостационарных ретрансляторов. Установлено, что средняя квадратическая ошибка пространственного положения наземного пункта изменяется практически линейно при изменении числа навигационных спутников, имеющих коррекции, и не зависит от направления, в котором спутниковый приёмник удаляется от станций слежения системы. Эффективность использования системы геостационарных спутников, вычисленная по модели, оценивается на уровне 51.4 % (что равносильно увеличению точности в два раза) при благоприятных условиях, то есть в случае, когда все навигационные спутники получают коррекции от геостационарных спутников.

2. Предложены две методики для оценки эффективности с помощью навигационных приёмников при работе в автономном и скорректированном режимах. Выполнена экспериментальная проверка по предложенным методикам приёмника DG-14/16 компании Thaies Navigation.

3. Выполнены экспериментальные исследования по определению эффективности применения геостационарных систем дифференциальной навигации. В результате исследований установлено, что увеличение точности при использовании корректирующей информации составляет 55.4 % в случае полностью развёрнутой системы и благоприятных условий (измерения проводились в Санта Кларе) и 23.6 % при не очень благоприятных условиях работы приёмника (измерения проводились в Москве).

4. Список публикаций по теме диссертации

1. Суницкий Е.И. Автоматизация процесса тестирования навигационно-геодезического оборудования и программно-аппаратных средств с помощью тестовых драйверов (скриптов). «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъёмка», 2004, №4. С. 131-136.

24

$23 7 5 7

2. Суницкий Е.И. О тестировании < аппаратных средств. «Известия ВУЗ«

э-

4.

3. Суницкий Е.И. Оценка эффективней дифференциальной навигации XV /

С.26-30.

м

и

аэрофотосъёмка», 2004, № 6. С. 35-42 ^^

4. Суницкий Е.И. Широкозонные сисчемы спутниковом дифференциальной навигации. «Геопрофи», 2005, № 3, С. 12-14.

МГУГиК

105064, Москва К-64, Гороховский пер., 4

Подп. к печати 02.11.2005 Формат 60x90 Бумага офсетная Печ. л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 80 экз. Заказ № 187 Цена договорная

Содержание диссертации, кандидата технических наук, Суницкий, Евгений Иванович

Введение.

1. Широкозонные системы геостационарного дополнения.

7.7. Общие принципы работы.

7.2. Расчёт зоны радиовидимости геостационарного спутника.

1.3. Ошибки, которые можно уменьшить при помощи коррекций от геостационарных спутников.

1.3.1. Факторы, влияющие на точность.

1.3.2. Ошибки положения навигационных спутников.

1.3.3. Влияние ионосферы на результаты спутниковых определений

2. Теоретическая оценка эффективности применения коррекций от геостационарных спутников.

2.7. Общие положения по оценке эффективности.

2.2. Теоретическая оценка с помощью моделирования.

2.3. Основные принципы практических методик оценки эффективности.

2.4. Этапы оценки с использованием одного приёмника.

2.5. Этапы оценки с использованием двух приёмников.

3. Экспериментальная оценка эффективности применения коррекций от геостационарных спутников.

3.1. Постановка задачи.

3.2. Программа и результаты выполнения эксперимента.

3.2.1. Программа эксперимента.

3.2.2. Определение точных координат фазового центра антенны в Москве фазовым методом.

3.2.3. Сравнение результатов для двух спутниковых приёмников в Москве.

3.2.4. Сравнение результатов для одного спутникового приемника в городе Сайта Клара (США).

3.3. Анализ полученных экспериментальных данных.

Введение Диссертация по наукам о земле, на тему "Разработка методики оценки эффективности широкозонных спутниковых систем при решении геодезических задач"

В последнее время спутниковые навигационные системы претерпевают ряд изменений по части улучшения. К таким изменениям относится добавление общедоступного С/А кода на частоте L2, а также третьего гражданского сигнала в диапазоне L5 для системы GPS, и ввод в 2008 году европейской СНС.

В настоящее время создание навигационной и геодезической аппаратуры идет по пути её совершенствования и модернизации. Фирмами-изготовителями осуществляется внедрение новых высоких технологий и методик обработки данных в спутниковую аппаратуру потребителя и программные средства. Такие технологии позволяют производить геодезические работы в реальном времени по точности на уровне сантиметров, это RTK (Real Time Kinematics - кинематика в реальном времени), концепция виртуальных базовых станций VRS (Virtual Reference Station) и т.д.

В настоящее время идёт развитие систем геостационарного дополнения (SBAS-Satellite Based Augmentation System) для навигационных систем, таких как GPS. Указанные системы дополнения в литературе часто называют также широкозонными подсистемами спутниковой дифференциальной навигации, поскольку геостационарные спутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальными поправками, а следовательно, существенно повысить точность определения местоположения на значительно больших территориях. При этом появляется возможность использования простых, компактных и относительно недорогих спутниковых приёмников, позволяющих решать навигационно-геодезические задачи. Широкозонные подсистемы могут найти применение при решении задач морской геодезии, геодезии, точной навигации, ГИС и т.д.

Работа широкозонных систем основана на формировании корректирующей информации в виде поправок к эфемеридным данным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всем 1 пользователям через геостационарный спутник. При этом не требуется какого-либо дополнительного оборудования к спутниковому приёмнику (например, радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны и спутникового приёмника, правда, для этого необходимо изменить программный код приёмника.

Хотя широкозонные подсистемы с использованием геостационарных спутников применяются уже несколько лет, до сих пор не решена задача установления количественных критериев для оценки эффективности применения геостационарных спутников в зависимости от расположения спутникового приёмника по отношению к станциям слежения, входящих в эту систему. В диссертации предпринята попыткарешения этой задачи, которая представляется актуальной и практически значимой.

Цель диссертации и ее научная новизна заключается в разработке методики оценки эффективности широкозонных систем, использующих сочетание глобальной спутниковой системы позиционирования и системы геостационарных спутников. Для достижения поставленной цели автором выполнены исследования теоретического и экспериментального характера:

1. теоретически оценена эффективность применения широкозонной системы в зависимости от числа навигационных спутников, получающих поправки от геостационарных спутников;

2. установлены основные критерии для практической оценки эффективности применения систем геостационарных спутников. Разработаны две методики для практической оценки эффективности;

3. проведены экспериментальные исследования по разработанным и предложенным методикам как внутри области, образованной станциями слежения, так и за её пределами (на примере приёмника DG-14/16 компании Thaies Navigation);

4. практически оценена эффективность использования широкозонных систем (со спутниками GPS) в различных условиях. \ /

Данная работа является одним из немногих исследований в области использования систем геостационарных спутников при решении навигационно-геодезических задач и первой попыткой разработки общей концепции оценки эффективности таких систем.

На защиту выносятся:

1. теоретическая оценка эффективности применения систем геостационарных спутников (модельный расчёт);

2. методики для практической оценки эффективности применения систем геостационарных спутников;

3. экспериментальные результаты и выводы, полученные из сравнительных измерений по предложенным методикам.

Заключение Диссертация по теме "Геодезия", Суницкий, Евгений Иванович

Заключение

Полученные в настоящей работе результаты можно сформулировать следующим образом.

1. Выполнена теоретическая оценка эффективности использования системы геостационарных спутников путём расчета средней квадратической ошибки пространственного положения пункта наблюдений в зависимости от числа навигационных спутников, принимающих коррекции от геостационарных ретрансляторов. Установлено, что средняя квадратическая ошибка пространственного положения наземного пункта изменяется практически линейно при изменении числа навигационных спутников, имеющих коррекции, и не зависит от направления, в котором спутниковый приёмник удаляется от станций слежения системы. Эффективность использования системы геостационарных спутников, вычисленная по модели, оценивается на уровне 51.4 % (что равносильно увеличению точности в два раза) при благоприятных условиях, то есть в случае, когда все навигационные спутники получают коррекции от геостационарных спутников.

2. Предложены две методики для оценки эффективности с помощью навигационных приёмников при работе в автономном и скорректированном режимах. Выполнена экспериментальная проверка по предложенным методикам приёмника DG-14/16 компании Thaies Navigation.

3. Выполнены экспериментальные исследования по определению эффективности применения геостационарных систем дифференциальной навигации. В результате исследований установлено, что увеличение точности при использовании корректирующей информации составляет 55.4 % в случае полностью развёрнутой системы и благоприятных условий (измерения проводились в Санта Кларе) и 23.6 % при не очень благоприятных условиях работы приёмника (измерения проводились в Москве).

Библиография Диссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Суницкий, Евгений Иванович, Москва

1. Баранов В.Н., Бойко Е.Г. и др. Космическая геодезия. Москва. «Недра». 1986. -407 с.

2. Большаков В.Д., Деймлих Ф., Голубев А.Н., Васильев В.П. Радиогеодезические и электрооптические измерения. Москва, «Недра», 1985. -303 с.

3. Бугаевский JT.M. Математическая картография. Москва, «Златоуст», 1998. -400 с.

4. Генике A.A., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и её применение в геодезии. Москва, «Картгеоцентр» «Геодезиздат», 1999, -272 с.

5. Глумов В.П. Основы морской геодезии: Учебное пособие для ВУЗов. Москва, 1983.-183 с.

6. Голубев А.Н. Глобальные спутниковые навигационно-геодезические системы. Москва, 2003, -66 с.

7. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Москва, «Высшая школа», 1975.-280 с.

8. Олянок П.В., Астафьев Г.П., Грачев В.В. Радионавигационные устройства и системы гражданской авиации. Москва, «Транспорт», 1983. -320 с.

9. Ю.Пеллинен Л.П. Высшая геодезия. Москва, «Недра», 1978.

10. П.Поваляев Е., Хуторной С. Дифференциальные системы спутниковой навигации. Обзор современного состояния. Статья в Интренет: Ф http://www.chip-news.ru/archive/chipnews/200206/2.html

11. Прохоров Ю.В., Розанов Ю.А. Теория вероятностей. Москва, издательство «Наука», 1973. -496 с.

12. Ресурсы Интернет по радионавигации (Кафедра судовождения МГУ им. адмирала Г.И. Невельского). «Современное состояние радионавигации»:http://sv.msun.ru/div/kaf/sv/rubin2.html

13. Ресурсы Интернет по системам SBAS: http://www.oosa.unvienna.org/SAP/act2001/gnss2/presentations/session05/spe акег02/

14. Ресурсы Интернет по системе WAAS: http://www.landfallnavigation.com/waas.html http://www.odelco.com/ articles faq/waas.htm

15. Ресурсы Интернет по спутниковой системе Galileo.http://www.galileosworld.com/galileosworld/

16. Ресурсы Интернет по GPS, Глонасс, SBAS системам, геодезии и ГИС. http://www.agp.ru

17. Салманова В.Н., Колосова JI.H. и др. Малый атлас мира. Москва, Главное управление геодезии и картографии при совете министров СССР, 1971. -143 с.

18. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования. Москва, 2002. -106 с.

19. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения. Москва, 2003. -400 с.

20. Суницкий Е.И. Автоматизация процесса тестирования навигационно-геодезического оборудования и программно-аппаратных средств с помощью тестовых драйверов (скриптов). «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъёмка», 2004, № 4. С. 131-136.

21. Суницкий Е.И. О тестировании спутниковых приёмников и программно-аппаратных средств. «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъёмка», 2003, № 4. С.26-30.

22. Суницкий Е.И. Оценка эффективности использования широкозонных систем дифференциальной навигации WADGPS. «Известия ВУЗов. Геодезия и аэрофотосъёмка», 2004, № 6. С. 35-42.

23. Суницкий Е.И. Широкозонные системы спутниковой дифференциальной навигации. «Геопрофи», 2005, № 3, С. 12-14.

24. Шебшаевич B.C., Дмитриев П.П. Иванцевич Н.В. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. Москва, «Радио и связь», 1993. -408 с.

25. Яковлев Н.В. Высшая геодезия. Москва, «Недра», 1991. -321 с.

26. Dana Н. Peter. GPS is a satellite navigation system. Department of Geography, University of Texas at Austin.

27. Jeff Hum. Differential GPS Explained. Trimble Navigation, Sunnyvale, CA, 1993. -55 p.

28. Interface Control Document (ICD) for WAAS. Federal Aviation Administration, 21 September 1999. -150 p.

29. Gerhard Wubbena, Andreas Bagee. RTCM Message Type 59-FKP for transmition of FKP. Geo++ White Paper Nr. 2002.01., Garbsen, Germany, 2002.

30. GPS Surveying Concepts. 4800 Operation Manual by Trimble Inc. 1997. 80.

31. Mehaffey Joe. GPS WAAS Operation. 2002. Internet article: http://www.gpsinformation.net/waasgps.htm

32. Nathan Sammer. Software Testing. Article. 2001.

33. NMEA 0183 Version 3.01 Protocol Description. October 2001. 101.

34. Norfolk David. Partners in testing. Article in The Computer Bulletin magazine, March 2002.

35. Parkinson B.W., Spilker J.J. Global Positioning System: Theory and Applications. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronomies Inc. 1996.

36. Pettichord Bret. Testers and Developers Think Differently. Software Testers & Quality Engineering magazine (source: www.stqemagazine.com), Jan/Feb• 2000.

37. Richard B. Langley. Basic Navigation with a GPS Receiver. GPS World, October 2000.

38. Richard B. Langley. RTK GPS. GPS World. January 1999.

39. RTCM Recommended Standards For Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service Version 2.3. RTCM Special Committee No. 104, 20 August 2001.-90 p.

40. Shewale Ranjit. Scripting techniques in Automation. Article. 28 April 2003.

41. SC-159. Minimum operational performance standards for Global Positioning System/Wide Area Augmentation System airborne equipment. Washington, DC, RTCA Inc., 2001.-586 p.

42. Thomas Schildkhecht and Gregor Dudle. Time and Frequency Transfer. High precision using GPS phase measurements. GPS World, February 2000.

43. User Manual for DG-14/16 GPS receiver. Thales Navigation, 2003. -394 p.

44. Xiaoli Ding, Yongqi Chen, Dingfa Huang, Jianjun Zhu, Maria Tsakiry and Mike Stewart. Slope Monitoring Using GPS. A multi-antenna approach. GPS World, March 2000.

45. Wells David, Guide to GPS positioning, Canadian GPS association, 1986.

46. Wide Area DGPS technologies come of age. GPS World, September 2001.

47. WinRunner Testing Software Manual, 2002. -193 p.

48. Примеры последовательных команд, полученных с помощью спутникового двухчастотного геодезического GPS приемника Z-Maxкомпании Thaies Navigation

49. Запросная команда, показывающая версию встроенной программы (firmware), а также прогруженные опции:1. Запрос: $PASHQ,WD

50. Ответ: $PASHR,RID,ZA,30,V347,BUE-MFT3JKIGHN,0A01* 13 Запросная команда, показывающая статус спутников: Запрос: $PASHQ,SAT

51. OTBeT:$PASHR,S AT,09,17,062,41,50.4,U,21,217,51,55.0,U, 10,062,37,50.2,U,02,31 8,12,39.9,U,06,117,73,56.0,U,30,168,25,47.1,U,24,055,07,37.8,-,16,304,34,50.0,U,25,253,13,42.3,U*37

52. Команда настройки угла возвышения спутников (корректно и некорректно заданная):

53. Запрос: $PASHS,ELM,10 Ответ: $PASHR,ACK*3D

54. Запрос: $PASHS,elm, 15 Ответ: $PASHR,NAK*30

55. Команда на непрерывный вывод данных о местоположении приемника (В, L, Н) и других параметров