Широкозонные и глобальные дифференциальные подсистемы реферат

Обновлено: 02.07.2024

EGNOS создается по заказу и под наблюдением так называемой Европейской тройственной группы (European Tripartite Group — ETG), объединяющей представителей Европейского космического агентства, Евроконтроля и Европейского Сообщества.
Европейское космическое агентство, Европейская комиссия и Европейская организация по безопасности воздушной навигации (EUROCONTROL) совместно разрабатывают Европейскую систему функционального дополнения спутниковой навигации EGNOS. Для наземных, морских и воздушных гражданских потребителей систем GPS и ГЛОНАСС этот проект обеспечит улучшение характеристик точности, целостности и доступности. Упомянутые организации работают совместно в рамках Европейской трехсторонней группы. Всего в проекте участвует 11 государств: Австрия, Франция, Германия, Италия, Нидерланды, Норвегия, Португалия, Испания, Швейцария, Великобритания и Канада. Большое значение для реализации проекта EGNOS имеет участие в нем таких лидирующих европейских провайдеров услуг по управлению воздушным движением, как AENA (Испания), ANA (Португалия), DFS (Германия), DGAC (Франция), ENAV (Италия), NATS (Великобритания), Swisscontrol (Швейцария), а также Национального космического агентства Франции (CNES) и Управления картографии Норвегии (NMA).

ETG подписала контракт на использование двух первых навигационных транспондеров для передачи сигналов EGNOS потребителям. Эти транспондеры установлены на двух спутниках INMARSAT-III — IOR с координатами 64,5° в. д. (район Индийского океана) и AOR-E с координатами 15,5° з. д. (восточный район Атлантики). Работая вместе, они обеспечат покрытие не только всей Европы, но и Африки, Южной Америки, а также большей части Азии. Спутник IOR был запущен 3 апреля 1996 года и начал функционировать с 12 мая. Спутник AOR-E запущен в августе 1996 года. Кроме спутников INMARSAT-III в состав орбитального сегмента входит геостационарный спутник Европейского космического агентства ARTEMIS (точка 21,5° в. д.), на борту которого также установлен навигационный транспондер. В зону обслуживания EGNOS войдет большинство европейских государств, Турция, Северное море и восточная часть Атлантического океана. В дальнейшем она может быть расширена на такие регионы, как Африка, Южная Америка, СНГ, Ближний Восток.

Система EGNOS предназначена для выполнения следующих функций:
1. Увеличение числа навигационных спутников за счет использования геостационарных КА, передающих GPS-подобные сигналы. Тем самым увеличивается доступность спутниковой навигации с применением RAIM.
2. Передача информации о целостности. Это увеличит доступность навигационной службы GPS/TJIOHACC/EGNOS до уровня, соответствующего требованиям неточного (грубого, некатегоризованного) захода на посадку.
3. Передача корректирующих поправок, что позволит обеспечить точность до уровня, соответствующего требованиям точного захода на посадку по I категории.

Система EGNOS будет предоставлять пользователям следующие возможности:
Дальномерный сервис (R-GEO) — передача GPS-подобных навигационных сигналов c трех геостационарных спутников (INMARSAT-III AOR-E, INMARSAT-II IOR и ESA ARTEMIS) для улучшения общей доступности навигационного сервиса. Для определения своих координат потребителю необходимо принять сигналы от четырех спутников. Ни GPS, ни ГЛОНАСС не могут обеспечить постоянного стопроцентного выполнения этого требования в любой точке земного шара. EGNOS поможет восполнить недостаток видимых спутников, что позволит потребителям повысить надежность навигации за счет реализации режима автономного мониторинга целостности в приемнике (RAIM).
Сервис целостности (GIC) — передача оценок дальномерных погрешностей для каждого навигационного сигнала GPS, ГЛОНАСС или EGNOS. При отсутствии этого сервиса EGNOS информация об аномальных характеристиках или отказах GPS и ГЛОНАСС дойдет до потребителя с задержкой более 15 минут. Сервис целостности позволит потребителю принимать решение о недостоверности навигационного сигнала со спутника до возникновения какой-либо критической ситуации.
Широкозонный дифференциальный сервис (WAD) — передача поправок для улучшения точности спутниковой навигации. Для гражданских потребителей сигналы GPS преднамеренно уменьшается для снижения точности в реальном времени примерно с 16 до 100 метров. Данный сервис позволит повысить точность до 5–10 метров.

Система EGNOS будет включать в себя:

2. Наземный сегмент:
• Сеть станций измерения дальности и мониторинга целостности (RIMS), рассредоточенные в обслуживаемой зоне. Станции будут связаны с главными центрами управления (MCC).
• Главные центры управления, где будут формироваться сигналы EGNOS. (дифференциальные поправки, информация о целостности, ионосферные задержки эфемериды геостационарных спутников).
• Наземные навигационные станции (NLES), предназначенные для закладки информации EGNOS и дальномерного GEO-сигнала на геостационарные спутники (которые затем ретранслируют эту информацию на Землю на частоте L1 GPS с модуляцией и кодированием по образцу GPS-сигнала).
Все компоненты наземного сегмента взаимосвязаны с широкозонной сетью связи EGNOS (EWAN). На этапе начального функционирования

EGNOS наземный сегмент будет включать:
• примерно 40 RIMS, распределенных по всей зоне обслуживания;
• 4 MCC: Торрехон (Испания), Гэтвик (Великобритания), Ланген (Германия), Чиампино (Италия);
• 6 NLES: Оссагель (Франция), Гунхилли (Великобритания), Райштинг (Германия), Фучино (Италия), Торрехон (Испания) и Синтра (Португалия), а также дополнительное оборудование, размещенное в Тулузе (Франция) — PACF (пункт оценки эксплуатационных характеристик и проверки системы) и Торрехоне (Испания) — ASQF (пункт квалификации для конкретных задач применения), и DVP (платформа верификации разработок). Дополнительные средства предназначены для обеспечения системных разработок, эксплуатации и квалификации.

Центральный контроллер CCF принимает от элементов системы всю информацию о состоянии и вырабатывает решение по управлению, направленное на поддержание заданного уровня сервиса EGNOS. В задачи CCF также входят взаимодействие с другими центрами управления и сбор всей измерительной информации для последующего архивирования.

Основными функциями контроллера являются:
• Системный и сетевой мониторинг.
• Устранение сбоев в работе системы и планирование технического обслуживания.
• Управление системой и сетью передачи данных.
• Управление внешними интерфейсами.
• Архивирование информации.
• Системное моделирование и прогнозирование эксплуатационных характеристик.

Спутниковые навигационные системы позволяют определить координаты потребителя с точностью порядка 1О. 15 метров. Но в ряде случаев требуется более высокая точность определения. К таким случаям относятся геодезические измерения и картография, строительные работы, точная проводка судов в береговой зоне, навигация в городских условиях и т.д. Добиться существенного увеличения точности определения координат (до единиц и долей сантиметра) удается при помощи функционального дополнения к СНС, называемого дифференциальной подсистемой. Основу дифференциальной подсистемы составляет наземная контрольно-корректирующая станция (ККС), координаты которой известны и определены с большой точностью. Как правило, в подобных случаях говорят о координатах фазового центра приемной антенны. Путем сравнения измеренных значений псевдодальностей до спутников с достоверными значениями, вычисленными на основе полученной от главной станции информации об орбитах НКА, вычисляются поправки к псевдодальностям. Полученные значения поправок передаются потребителям по специально выделенным линиям передачи данных. Потребитель должен иметь соответствующий приемник, оснащенный модулем для приема радиосигналов ККС.

Как правило, расстояние между потребителем и наземной ККС пренебрежимо мало по сравнению с расстоянием до НКА. Поэтому с большой долей приближения можно считать, что на расстояниях до 200 - 300 км потребитель и ККС находятся в идентичном по всем параметрам навигационном поле. Следовательно, поправки, вычисленные для ККС, справедливы и для потребителя. Так, при расстоянии между ККС и потребителем, составляющем 100 км, погрешность определения координат потребителя, вызванная непостоянством ошибок псевдодальности в пространстве составляет единицы сантиметров, а при расстоянии до ККС порядка 1ООО км - десятки сантиметров. На практике стараются располагать ККС не далее 500 км от целевых потребителей.

Принято различать широкозонные, региональные и локальные дифференциальные подсистемы, хотя такое деление зачастую является условным.

Широкозонные дифференциальные подсистемы (ШДПС).Основой широкозонной подсистемы является сеть специальных широкозонных ККС, информация о поправках с которых передается на главную станцию. После дополнительной проверки на главной станции вырабатывается комплекс общих поправок и сигналов целостности. Выработанные сигналы передаются, как правило, на геостационарные спутники, с которых транслируются на приемники потребителей. Применение геостационарных спуrников позволяет обеспечить радиус рабочей зоны порядка 5000. 6000 км. Достаточно часто ККС, входящие в состав широкозонной подсистемы, обеспечивают и локальный сервис с применением дополнительных каналов передачи данных.

Примером развитой ШДПС может являться сервис, предоставляемый компанией "OmniSTAR" (подразделение корпорации "Fugro"). В данном случае поправки транслируются на всю поверхность земного шара через созвездие геостационарных спутников. Сервис является платным. Для клиента, заявившего о приблизительной зоне своего местонахождения, формируется комплекс индивидуальных поправок, именуемый виртуальной базовой станцией (VBS). Могут быть сформированы VBS с континентальным, региональным и локальным охватом.

Региональные дифференциальные подсистемы (РДПС) имеют диаметр зоны обслуживания от 400 до 2000 км и предназначены для навигационного обеспечения отдельных регионов континента или моря/океана. В состав РДПС входят одна или несколько ККС, а также аппаратура контроля целостности и средства передачи данных потребителю. Эти данные вырабатываются либо на главной станции, либо непосредственно на ККС.

Локальные дифференциальные подсистемы (ЛДПС) функционируют при дальностях до потребителя в диапазоне 50. 200 км и обычно имеют в своем составе одну ККС, аппаратуру управления и контроля целостности и средства передачи данных. В качестве аппаратуры передачи данных ЛДПС часто применяют имеющиеся радиомаяки, уплотняя их сигнал и включая в него данные от ЛДПС. Такое решение обосновано экономически, но сигнал радиомаяков, часто работающих в средневолновом диапазоне, весьма подвержен помехам и не позволяет передавать данные с большой скоростью.

Локальные дифференциальные подсистемы обычно разделяют по способу их применения на морские, авиационные и геодезические. Морские ЛДПС предназначены для обеспечения мореплавания в проливах, каналах, акваториях портов и гаваней. Авиационные ЛДПС обеспечивают точный заход на посадку и посадку воздушного судна. Геодезические ЛДПС используются при проведении исследований движения земной коры, землемерных, крупных строительных и иных специальных работ.

Широкозонная система является геостационарным дополнением для навигационно-геодезических систем, таких как GPS. Подобные системы часто называют также широкозонными системами спутниковой дифференциальной навигации (SBAS Satellite based Аugmentation System), поскольку геостационарные спутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальными поправками. Один геостационарный спутник может обеспечить поправками территорию равную по площади 1/3 поверхности земного шара [35,36]. На рис. 7.3. показаны элементы системы SBAS.

Рис.7.3. Элементы системы SBAS

Применение систем геостационарных спутников позволяет значительно повысить точность определения местоположения, а значит, возможность использования простых, компактных и относительно недорогих спутниковых приемников, позволяющих решать навигационные и геодезические задачи.

Широкозонные системы могут найти применение при решении задач морской и прикладной геодезии, точной навигации и т. д. В таких системах реализован метод формирования коррекций 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 приемнику (например, радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны и спутникового приемника [35,36].

Подсистема SBAS состоит из следующих элементов (рис.7.3):

— сети наземных станций слежения. На этих станциях стоят двухчастотные геодезические приемники, которые осуществляют непрерывный сбор данных от всех навигационных спутников.

Измерения с этих станций передаются в мастер-станцию в режиме реального времени;

— мастер-станция, которая необходима для обработки данных со

— станции закладки корректирующей информации на

геостационарные спутники (совмещена с мастер-станцией);

— геостационарные спутники для передачи поправок на большую территорию всем пользователям.

Подсистема выполняет следующие функции:

— сбор данных от всех навигационных спутников (НКА), находящихся в поле радиовидимости;

— составление карты вертикальных ионосферных задержек;

— контроль надежности навигационных спутников;

— определение и уточнение параметров орбит навигационных спутников;

— определение коррекций орбит и временных поправок для навигационных спутников;

— обеспечение потребителей корректирующей информацией и дополнительными измерениями псевдодальностей на частоте L 1 (в системе GPS), позволяющими повысить надежность и точность спутниковых определений;

— обеспечение независимого контроля выходных данных предыдущих шести функций перед их использованием потребителями;

— обеспечение работоспособности и нормального функционирования подсистемы.

Таким образом, при использовании сигналов от геостационарных систем улучшается точность за счет использования:

— уточненных данных об эфемеридах навигационных спутников;

— уточненной модели ионосферы;

— дополнительного GPS сигнала на частоте L 1 = 1575,42 МГц (или дополнительных сигналов, в случае, если приемник отслеживает несколько геостационарных спутников) от геостационарных спутников системы.

Для уменьшения ошибок, вызванных неточностью эфемерид, в GPS предусмотрено обновление эфемеридной информации для навигационных спутников каждый час.

В настоящее время существует несколько подсистем SBAS:

1. WAAS (Wide Area Augmentation System) покрывает США;

2. EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service)

3. MSAS (Multi functional Satellite based Augmentation System)

4. GAGAN (GPS and GEO (Geostationary Earth Orbit) Augmented Navigation) покрывает Индию.

С целью же получения более точной информации о положениях навигационных спутников, в подсистеме SBAS осуществляется трансляция коррекций эфемерид. При этом коррекция осуществляется не один раз в час (как в GPS), а один раз за несколько минут.

7.2.1. Широкозонная подсистема WAAS

Федеральное управление по Аэронавтике (FAA) и Министерство Транспорта США создали программу WAAS для высокоточной навигации в авиации. В настоящее время точность системы спутниковой навигации GPS не соответствует требованиям FAA в отношении точности, совместимости и доступности. Система WAAS исправляет погрешности системы GPS, возникающие из-за возмущений ионосферы, недостаточной неточности прогнозирования параметров орбит спутников, а также из-за различий в состоянии отдельных спутников системы GPS.

Наземный компонент системы WAAS включает до 25 опорных станций, расположенных на территории США, принимающих сигналы спутников GPS. На западном и восточном побережье США имеется по одной базовой станции, собирающей информацию от остальных станций системы, а также вырабатывающих поправочный сигнал. Такая поправка учитывает параметры орбиты спутников GPS, а также неравномерность прохождения сигнала сквозь ионосферу и атмосферу. Корректирующий сигнал посылается через один из двух геостационарных спутников, или через экваториальные спутники с точно определенными координатами. Такого рода сигналы полностью совместимы с основным кодом сигналов, доступных GPS-приемникам, т.е. любой GPS-навигатор с функцией WAAS может принимать такой поправочный сигнал.

Система WAAS может использоваться для гражданского применения, в том числе и для судов.

геостационарные спутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальными поправками (один геостационарный спутник может обеспечить поправкими территорию равную по площади одной трети от всей поверхности земного шара). Как следствие, применение систем геостационарных спутников позволяет значительно повысить точность определения местоположения, а значит, появляется возможность использования простых,

компактных и относительно недорогих спутниковых приёмников, позволяющих решать навигационные и геодезические задачи. Широкозонные системы могут найти применение при решении задач морской геодезии, геодезии, точной навигации, ГИС и т.д. В таких системах реализован принципиально иной метод формирования коррекций в виде поправок к эфемеридным данным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всем

пользователям через геостационарный спутник. При этом новый подход не требует 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. В настоящее время существует несколько систем (или правильнее говорить подсистем) SBAS (хотя только WAAS является

полностью рабочей в настоящее время): · WAAS (Wide Area Augmentation System) принадлежит США; · EGNOS (European Geostationary Navigation Overlay Service) принадлежит Европейскому Союзу; · MSAS (Multi-functional Satellite-based Augmentation System) принадлежит Японии. Подсистема SBAS состоит из (см. рис. 1): сети наземных станций слежения. На этих станциях стоят двухчастотные геодезические приёмники, которые осуществляют

Московский государственный университет
геодезии и картографии (МИИГАиК)
АспирантЕ.И.Суницкий
Широкозонная система спутниковойдифференциальной навигации
(теоретический аспект)
В настоящее время идёт развитие систем геостационарного дополнения длянавигационно-геодезических систем, таких как GPS. Такие системы в литературечасто называют также широкозоннымисистемами спутниковой дифференциальной навигации, поскольку геостационарныеспутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальнымипоправками (один геостационарный спутник может обеспечить поправкими территориюравную по площади одной трети от всей поверхности земного шара). Как следствие,применение систем геостационарных спутников позволяет значительно повыситьточность определения местоположения, а значит, появляется возможностьиспользования простых, компактных и относительно недорогих спутниковыхприёмников, позволяющих решать навигационные и геодезические задачи.Широкозонные системы могут найти применение при решении задач морской геодезии,геодезии, точной навигации, ГИС и т.д. В таких системах реализованпринципиально иной метод формирования коррекций в виде поправок к эфемериднымданным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всемпользователям через геостационарный спутник. При этом новый подход не требуеткакого-либо дополнительного оборудования к спутниковому приёмнику (например,радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны испутникового приёмника, правда для этого необходимо изменить программный кодприёмника.
В настоящее время существуетнесколько систем (или правильнее говоритьподсистем)SBAS(хотя только WAASявляется полностью рабочей в настоящее время):
· WAAS (Wide AreaAugmentation System) принадлежит США;
· EGNOS (EuropeanGeostationary Navigation Overlay Service) принадлежит Европейскому Союзу;
· MSAS(Multi-functional Satellite-based Augmentation System) принадлежит Японии.
Подсистема SBAS состоит из (см. рис. 1):сети наземных станций слежения. На этих станциях стоят двухчастотные геодезические приёмники, которые осуществляют непрерывный сбор данных от всех навигационных спутников. Все измерения с этих станций передаются в мастер-станцию в реальном времени; мастер-станции, которая необходима для обработки данных со станций слежения и формирования коррекций; станций закладки корректирующей информации на геостационарные спутники; геостационарных космических аппаратов (ГКА или GEO) для передачи поправок на большую территорию всем пользователям.

Этот вид поправок передается не реже, чем черездве минуты и их применение в аппаратуре пользователя не нуждается в пояснениисо стороны автора статьи.
Короткопериодная составляющая поправки к положениюкаждого спутника перевычисляется в поправку к псевдодальности на определенныймомент времени, причем эта поправка отсылается всем пользователям внезависимости от того где он находится. Данный вид поправок может лежать вдиапазоне от -256.000 до +255.875 м и её значение всегда кратно 0.125 м. Расчетпоправки, которую необходимо вводить в измеренную псевдодальностьосуществляется по формуле[1]:
(1)
где на требуемый момент i, t1и t2 – смежные моментывремени, на которые имеются коррекции, причем t1
То есть для каждого требуемого момента временивычисление короткопериодной составляюшей поправки осуществляется сиспользованием экстраполяции.
Что касается ионосферной модели, то в подсистеме SBASреализована гораздоболее детальная модель (по сравнению с GPS), но на локальную область. По наблюдениямназемных станций слежения системы SBASосуществляется оценка вертикальных ионосферныхзадержек, и вся покрываемая область разделяется сеткой. В общем случае, сеткане является регулярной. Для каждой i-ой точки (ионосферная точка) этой сетки, котораяимеет координаты Li, Bi(см.рис. 2), с геостационарного спутникапередаётся результат измеренной вертикальной ионосферной задержки для частоты L1 системы GPSв метрах. Такая сетка,в узлах которой известна величина вертикальной ионосферной задержки, называетсякартой вертикальных ионосферных задержек.
Информация об ионосферных задержках, передаваемыхс геостационарного спутника, является весьма оперативной и обновляется один разв несколько минут (по данным от геостационарного спутника номер 131 системы EGNOS, один раз в три споловиной минуты). Величины ионосферных задержек, передаваемых сгеостационарного спутника, кратны 0.125 метрам.

Читайте также: