Системы позиционирования и навигации

Особенности определения местоположения потребителя в СРНС

Рассматриваются существующие и перспективные системы позиционирования и навигации, создаваемые на базе научных и технологических исследований последних лет (спутниковые и наземные системы позиционирования). Наглядное представление об основных технологиях позиционирования в настоящее время и степени их распространения и точности дано на рис. 1

Рис. 1. Основные технологии позиционирования

их качественный уровень охвата и точности

Системы спутникового позиционирования основаны на положении искусственных спутников, которые вращаются по известным орбитам и непрерывно передают сигналы, используемые мобильными терминалами (навигационными приемниками - НАП) для выполнения измерения дальностей. По своей сути это навигационные системы, в то время как последние наземные системы предназначены в основном для местного позиционирования в своем регионе.

Система глобального позиционирования (GPS) в настоящее время в большей степени является глобальной навигационной спутниковой системой (GNSS).

Наземные системы позиционирования используют сеть наземных станций. В прошлом использовались несколько наземных систем для морской и авиационной навигации: Decca, LORAN-C, TACAN и VOR/DME и множество других [2, 25]. Они характеризуются очень специализированными областями применения и высокой стоимостью установки и обслуживания. В долгосрочной перспективе некоторые из них будут заменены GNSS.

В табл. 1.3 сведены основные характеристики нескольких существующих систем. Список систем позиционирования с использованием других технологий можно найти в работе [16].

Передним краем беспроводного позиционирования является гибридизация спутниковых и наземных систем на базе концепции бесшовного позиционирования, основной пример — вспомогательная услуга GPS, которая использует наземные сотовые сети для повышения точности GPS-приемника.

1.2.1. Спутниковые системы

Мир навигации только что стал свидетелем важного этапа развития:

появились и достигли полной работоспособности различные спутниковые навигационные системы, конкурирующие и дополняющие GPS.

Европа призывает к развертыванию своей глобальной спутниковой системы Galileo,

Россия радикально модернизировала глобальную навигационную спутниковую систему (ГЛОНАСС),

Япония и Индия разрабатывают собственные региональные системы,

Китай занят своей совершенствованием изначально региональной системы Beidou в глобальную.

Соединенные Штаты вкладывают значительные ресурсы в модернизацию GPS. Появление этого нового спутникового созвездия способствовало ускорению мировых исследований в области спутниковой навигации, глубоко изменило рынок навигационных приемников и благодаря новым возможностям, новым услугам и повышению доступности расширило перспективы потребителей.

Тем не менее бесспорным лидером среди спутниковых систем сегодня является GPS. GPS является спутниковой радионавигационной системой, используемой для вычисления точного времени и трехмерной позиции в любом месте на Земле. Схема этой процедуры приведена на рис. 1.5.

Определение местоположения с помощью GPS достигается путем получения сигнала с помощью ТОА-измерения, или дальности (псевдодальности), от минимум 3 (в лучшем случае четырех) спутников GPS.

Эти предварительные значения псевдодальности представляют собой измеренные расстояния при прямой видимости (line of sight — LOS) сигналов, передаваемых каждым из спутников N_sat- Псевдодальность r_к для каждого спутника к будет равна

где х_к, у_к, z_к — геоцентрические, геофиксированные (ECEF) координаты для к спутника,

с — скорость света.

Индекс и относится к потребителю. Временной сдвиг пользователя является сдвигом между временем опорного приемника и (неизвестным) GPS-временем. Как описано далее, система (по крайней мере) четырех таких уравнений линеаризуется и методом итераций решается для определения местоположения потребителя и его временного сдвига с использованием метода наименьших квадратов (LS) [24].

Временной сдвиг пользователя представляет собой изменяющуюся во времени величину, которая влияет на все псевдодальности и обусловлена следующими факторами:

• дрейф и сдвиг шкалы времени в приемнике потребителя;

•задержка при прохождении сигнала через спутниковую аппаратуру (аналоговый и цифровой);

• задержка сигнала при прохождении/обработке в антенне и приемнике.

В принципе, высокоточное позиционирование может быть получено в результате решения системы уравнений, упомянутых ранее. Однако в целом есть несколько основных источников ошибки GPS.

Два из них включают неизвестные атмосферные ошибки или задержки в ионосфере и тропосфере. Из-за этих эффектов LOS-сигнал прибывает позже, чем предсказывают уравнения псевдодальности.

Многолучевое распространение — еще один основной источник ошибки псевдодальности. Многолучевые сигналы (как правило, нежелательные) — это отраженные сигналы от земли или других близлежащих препятствий. В отличие от атмосферных воздействий, которые непосредственно влияют на LOS-сигнал ТОА, многолучевость является причиной ошибочных измерений ТОА-сигнала приемником GPS.

Принципы, обобщенные ранее для GPS, являются основой для понимания архитектуры всех спутниковых навигационных систем, в настоящее время находящихся в разработке, как глобальных, так и региональных. Более подробное обсуждение представлено в главе 2.