Огляд GPS

Dведення

Програма GPS була розпочата в 1973 році, коли ВПС США, армії, флоту, корпусу морської піхоти і оборони Mapping Agency вирішив використати їх сукупний технічних ресурсів для розробки дуже точні космічної навігаційної системи. Персонал цих установ були зібрані в початкових кадрів GPS Об'єднане бюро Програми і пізніше приєдналися контингент дев'ятьма іншими країнами-членами НАТО. Основним виправданням для програми GPS був військовим, але кількість цивільних користувачів і додатків зростає з кожним днем​​. GPS забезпечує точний час, швидкість і позиційні дані, а також задоволення спільних радіо позиціонування вимог широкого спектру користувачів. В залежності від режиму використання та використовуваного обладнання, висока точність вимірів може бути зроблена в додатках, геодезичну. У зв'язку з цим використовується в програмах геодезичні, щоб доповнити і зміцнити баз даних, які використовуються для побудови моделі земної гравітації поля, океанські приливи і відливи, топографії морської поверхні, орієнтації, глобальний рівень моря й океанічної циркуляції. Це особливо підходить для високої точності короткою роботи лінії. GPS розглядається як основний інструмент геодезистів у зв'язку з значні поліпшення в області техніки і програмного забезпечення для обробки, доступність і економічний доступ до GPS устаткуванням, портативність і переваги міжнародного співробітництва.

Загальний опис системи

Система GPS складається з трьох основних сегментів; простору, управління і сегменти користувачів. Робота простору і управління сегментами перебуває у віданні Космічного командування ВПС США і підтримуючі команду для роботи GPS несе відповідальність ВПС США логістики Командування (AFLC).
космічний сегмент

У повному обсязі космічний сегмент був запланований, щоб мати сузір'я з 21 супутників, плюс 3 оперативних запасних частин, в шести площинах з чотирьох супутників на кожній площині. Їх орбіти номінально є кругові з нахилом близько 55 градусів, а протягом 12 годин. Орбітальна висотою близько 20 200 км. Супутники передають сигнал з розширеним спектром на двох частотах L група, відома як Link 1 (L1) = 1575,42 МГц і посилання 2 (L2) = 1227,6 МГц. L1 сигнал модулюється з точністю (P) далекомірної коди і грубої / придбання (C / A) далекомірної коди, в той час як сигнал L2 тільки модульований з P-кодом. Всі компоненти сигналу контролюється атомними годинниками, яка є ключем до точності системи. Накладатися на коди навігаційного повідомлення даних, яка включає в себе супутникові годинник і ефемериди, UTC синхронізації інформації і супутникових даних про стан здоров'я сигналу. В даний 7:56 супутники видно з піднесення близько 15 градусів.
користувальницький сегмент

Доступ користувача

Два методи використовуються для зниження точності системи.

1. Selective Availability (SA) SA вражає, в основному одноразового використання приймача і досягається в першу чергу шляхом згладжування супутникової тактової частоти. Передані навігацією повідомлення може бути усіченої яка забороняє користувачеві можливість точно обчислити координати супутників.
2. Anti-Spoofing (AS) Ця функція викликається випадково звести нанівець потенційні підміни (ворожих імітація) ППС користувачів. Ця можливість суттєво вимикає P-код або повороти на зашифрований Y-код.

Рівні обслуговування

Існують два основних рівня послуг, що надаються GPS:

1. Точне позиціонування служби (ППС) PPS може забезпечити 8 метрів кругове імовірне відхилення (КВО) позиціонування і 100 нс (одна сигма) переклади UTC час. CEP визначається як радіус горизонтального кола, що містить 50% усіх можливих виправлення становища. Ця послуга доступна тільки для авторизованих користувачів і призначений в основному для військових користувачів. Доступ до PPS знаходиться під контролем міністерства оборони США (DOD), посилаючись на SA і AS.
2. Стандартні послуги визначення місця розташування (SPS) Ця послуга вказана на виробництво 100 м горизонтального позиціонування і приблизно 337 нс UTC час передачі точністю.

Користувачі діляться на дві категорії: тих, хто має доступ до PPS і балансу, за замовчуванням користувачі СПС. PPS-GPS приймач здатний має вбудований криптографічний логіка, яка дозволяє шифрування / дешифрування з PPS ключі. Зазвичай PPS-здатного набору GPS приймач застосовувати PPS шифрування / дешифрування обробки SA і AS функції, хоча деякі GPS приймачі, використовувані в мережах геодезичні вишукування працюють в обмеженому режимі PPS. З цими приймачами GPS PPS процес шифрування потрібно тільки для реального часу підтримку як функції, як функції SA розшифровки піклуються під час пост-обробки.

Сегмент управління

Сегмент управління складається з одного Master Control Station (MCS) на Соколі AFS в Колорадо і п'яти контрольних станцій, розташованих на Гаваях, Кваджалейн, Дієго-Гарсія, Вознесіння і MCS. MCS збирає дані стеження з монітора станції і обчислює орбіти супутника і параметри годин. Три опорних станцій, які поєднані з монітором станції на Кваджалейн, Дієго-Гарсія і Вознесіння завантажити результати визначаються MCS.

Багато інших невійськові станції монітора внесок у розвиток рафінованих орбіти і збір даних для геодинамічних досліджень. HartRAO в даний час установки Turbo ROGUE GPS приймач на правах оренди з Лабораторії реактивного руху в Пасадені, штат Каліфорнія. Це дозволить нам зробити свій внесок цінних даних Міжнародної служби GPS для геодинаміки (IGS), яка використовує дані з глобальної мережі з більш ніж п'ятдесяти станцій, розташованих по всьому світу. Результати IGS Центральне бюро можна знайти на http://sideshow.jpl.nasa.gov/mbh/global.

GPS спостережуваних

Є два GPS спостережуваних, які використовуються для визначення позиції. Нижня точності додатків, таких як навігація використовувати псевдо діапазони. У геодезії фази носія використовуються як вона дозволяє з високою точністю.

Псевдо-діапазон

GPS визначення місцеположення на основі концепції називають час прибуття в діапазоні. Простий приклад буде розглядати випромінювання сигналу на деяких точних момент часу t1 від стаціонарного передавача. Сигнал надходить в приймач через деякий час, скажімо t2. Різниця в часі t2 - t1 дозволяє визначити час прибуття (TOA) значення. Діапазон (відстань) між приймачем і передавачем може бути знайдено шляхом множення TOA зі швидкістю поширення сигналу. При чотирьох супутників одночасно спостерігаються, (х, у, г) положення і годинника приймача може бути знайдений з одного спостереження. У зйомці термінології, це резекція по відстані.
GPS супутники передають псевдовипадкових шумом (PRN) послідовність модульованих радіохвиль. PRN коди зумовлені рядки двійкових даних, які генеруються з супутника годин, яка служить час передачі кодування сигналів. Передача кожного супутника є унікальним, навіть якщо всі вони передають на одній частоті. Це дозволяє приймачу GPS розрізняти сигнали. Це досягається за допомогою приймача GPS створення точної послідовності PRN репліку, яка змішується в приймачі, збитий з пантелику вперед і назад в часі за допомогою коду відстеження циклі до максимальної кореляції досягається. Величина поворотні є спостережуване значення TOA.

Годинник в приймач GPS не синхронізовані з супутниковим годинах, так що TOA безпосередньо не застосовні до простий приклад вище. Годинник приймача має ухил, який знаходиться по даним процесором безлічі приймачем GPS. Коли спостережуваний TOA множиться на затримки розповсюдження сигналу, щоб знайти геометричний діапазону, зсув годинника приймача включений. Це повний діапазон називають псевдо діапазону (PR) вимірювання. Виміряні ОР, постраждалих від тропосферних і іоносферних затримок поширення. TOA тому включає в себе як затримка розповсюдження і зсув годин.

Спрощений користувальницький алгоритм визначення місцеположення буде:

1. Трек PRN послідовності з чотирьох супутників.
2. Помножте TOA значень швидкості світла, щоб отримати чотири PR вимірювань.
3. Правильне вимірювання PR для іоносферних і тропосферних затримок. Додати поправкою на різницю між годинами кожного супутника GPS і системного часу, ефекти теорії відносності, і т.д. 50 Гц цифровий потік даних (навігаційних повідомлень), переданих з супутників разом зі своїм P-і C / A код містить всю необхідну інформацію, таку як GPS системному час коробці передач, ефемериди і дані годин для конкретного супутника. Крім того, включені дані альманаху для всіх супутників, коефіцієнти для іоносферної моделі затримка і супутникові медико-санітарної інформації, щоб зробити ці зміни.
4. Виконувати положення / час вирішення шляхом вирішення чотирьох рівнянь діапазону і обчислити (х, у, г) визначення координат в плані WGS-84 системи координат.

Характеристики Точність системи

Два важливих параметрів викликають GPS, щоб показати статистичних розподілів точності. По-перше, є помилки в вимірюваних ОР і, по-друге, точність обмежуючим фактором через геометрії супутників. Ці два чинники є важливими, оскільки це призводить до розуміння обмеженості GPS і дозволяє розрахувати координати і час точності.

Користувач еквівалентна помилка Range (UERE)

Помилка у визначенні ОР від кожного супутника, викликаних помилками в прогнозі орбіти супутника, стабільність його годинник, помилки в повідомленні навігації, іоносфери і тропосфери помилки моделі, а також кореляції помилок. UERE міститься в повідомленні навігації і в поєднанні з факторами DOP дає оцінки точності позиціювання в точці, яка може бути досягнута.

Зниження точності (DOP) Фактори

DOP факторів зазвичай використовують в якості міри помилки, поповнювана вплив геометрії супутникового поширення на положення і часу рішення. DOP фактори є простими функціями діагональні елементи матриці коваріацій встановлені параметри. Це опис стає ясно, коли він зрозумів, що фільтр Калмана в приймач GPS містить матрицю оцінки (ковариационной матрицею) з помилок, PR. Фільтр Калмана характеризує джерела шуму в результаті помилок в іоносферної поправки, користувач і т.д. дрейф годин, для того, щоб мінімізувати свої помилки введенні ефект. Це рекурсивна (лінійна комбінація попередніх оцінок і представлення даних) середньоквадратична оцінка, яка в сенсі найменших квадратів, дає мінімальну оцінку коваріації вектора стану, яка включає в себе такі параметри, як GPS приймач позиції і часу. Матриця помилки ковариационной задовольняє рівнянню Ріккаті, які відносно легко вирішити за допомогою мікропроцесора, який, у свою чергу facillitates реалізації в приймачі GPS. Діагоналі ковариационной матриці містить дисперсій позицію помилки і зміщення годинника приймача помилки.
Хороший DOP має низьке число (2-3), тоді як погані DOP має велику кількість. Інтуїтивно зрозуміло, що найкращим DOP дало б один супутник прямо над головою і трьох супутників рівномірно розподіляються на горизонті. Висока DOPS результат, коли супутники згруповані разом або утворюють лінію. Як супутникових позицій передбачувані, DOP значення можуть бути розраховані на етапі планування обстеження для забезпечення гарної цінності. На закінчення цього розділу спеціальних видів DOPS коротко описані і їх висловлюваннями.

1. VDOP Вертикальний DOP. Описується вплив геометрії супутників на висоті.
2. HDOP Горизонтальна DOP. Вказує на погіршення точності для горизонтальних позиціях.
3. PDOP Позиція DOP. Комбіновані вертикально-горизонтальну позицію значення.
4. TDOP час DOP. Час вимірювання впливу геометрії.
5. GDOP Геометрична DOP. Композитних міра вертикально-горизонтальні-часу.

Перевізник Фази

Вимірювання фази несучої більш точні, ніж виміру PR і використовуються на коротких і дуже довгих базових ліній з високою точністю. На питання "що таке фази несучої" найкраще відповісти, починаючи з перших принципів. Фаз спостережуваної різниці фаз між переданим несучої з супутника і приймача сигналу генератора в заданому т епохи. Фази хвилі таким чином, має сенс тільки коли він вказаний по відношенню до іншої хвилі тієї ж частоти. Після отримання сигналу почався цілий ряд циклів враховуються. Вимірювання фази є неоднозначними і, якщо абсолютна різниця діапазону на початковій епохи визначається, вимірювання фази забезпечує тільки зміни в діапазоні за розглянутий період. Початкова невизначеність ціле залежить від приймача супутникової комбінації на початковій епосі і залишається незмінним протягом певного періоду спостережень. Це дозволяє початкового і невідомі цілі неоднозначності повинен бути представлений одним членом упередженості. Цикл ковзання може статися, коли відстеження перерваний через блокування сигналів, слабкі сигнали або неправильної обробки сигналів у зв'язку з приймачем програмного збою.

Цей цикл ковзання змінить ціле число циклів, хоча дробове вимірювання фази після повторного захоплення сигналу, буде те ж саме, як якщо б відстеження не були перервані. Деякі методи були розроблені, щоб виправити циклу промахи, такі як пошук методів, дискретних фільтра Калмана, оптимізовані розкладання Холецкого і в разі двухчастотного даних в коді і перевізником, widelaning неоднозначності фіксації. Швидкі методи є дуже важливими для додатків реального часу і багато досліджень проводиться в даний час, щоб знайти краще і швидше, методи вирішення неоднозначності.

Точність фази несучої

Загалом вертикальна складова має більше стандартне відхилення, ніж горизонтальні компоненти. Це пов'язано з тим, що вертикальна складова не так обмежений і є більш чутливою до помилок в тропосферного затримки. Точність по вертикалі збільшується компонентів з великою кількістю супутників одночасно спостерігаються як коефіцієнт кореляції між вертикальної координати станції і зенітних зменшується tropospherical затримки. Типова точність становитиме близько 10 мм в глобальному масштабі і близько 1 мм на місцевому рівні. Ці точності можна отримати, тільки якщо сучасне програмне забезпечення обробки використовується, а також точну інформацію орбіту. Непередбачувана поведінка еталонів часу і частоти, яка виступає в якості еталону для приймачів GPS є основним джерелом похибки в вимірювання. У процесі диференціювання, помилки, пов'язані з приймачем і супутниковим годинник можуть бути практично виключені. Різницеві може бути зроблене між приймачами, супутники, епох або їх комбінації. Різницеві зменшує вплив іоносфери і тропосфери, коли приймачі знаходяться близько один до одного, так що двочастотний операція не є необхідним для короткою базою.

 

Переведено з http://geodesy.hartrao.ac.za/site/resources/gps-overview.html

Домашня сторінка