1

Тема: Причины погрешности в GPS мониторинге

Причины погрешностей в GPS мониторинге

Практическое применение одной из наиболее выдающихся современных разработок  - системы глобального позиционирования GPS (Global Positioning System), точность определения местонахождения объекта зависит от степени погрешности, возникающей при измерении расстояний от терминала до спутников. От степени влияния целого ряда факторов зависит, насколько точно будет определено местоположение GPS-приемника, будет эта погрешность составлять один метр или десяток, а то и сотню метров.
К факторам, оказывающим непосредственное влияние на степень погрешности, можно отнести следующие:
•    Специальная погрешность (SA);
•    Качество геометрии спутников;
•    Гравитационные влияния;
•    Влияния ионосферы;
•    Влияния тропосферы;
•    Отражения сигналов;
•    Относительность измерения времени;
•    Округление и вычислительные ошибки

Специальная погрешность
Данный фактор представляет собой искусственную погрешность, намеренное искажение времени сигнала, посылаемого спутником, в результате чего точность определения местоположения объекта прибором GPS снижалась до 50-150 метров. Погрешность искусственно вносилась в сигналы спутников в соответствии с требованиями режима SA - selective availability (селективного доступа), задачей которого было ограничить точность измерений для гражданских GPS-приемников.
Причина создания «специальной погрешности» заключалась в обеспечении государственной безопасности США. В момент организации и развития система глобального позиционирования GPS являлась исключительно военной разработкой, призванной обеспечить потребности силовых структур. Лишь с течением времени навигационная система получила коммерческое применение, возможность определять местоположение появилась и у гражданских лиц. Помимо исключительно мирных целей, система позиционирования могла быть использована для различных злонамеренных действий, которые представляли бы прямую угрозу для безопасности. Так, террористические организации получили бы возможность использовать GPS для определения местонахождения стратегических объектов и точного наведения дистанционного оружия.
Режим селективного доступа все-таки был отключен вследствие широкой распространенности системы глобального позиционирования, произошло это в мае 2000 года, и решение об этом принял лично президент США. Событие стало ключевым в истории развития GPS-навигации, еще бы – ведь с этого момента для частных коммерческих предприятий и простых граждан открылись новые горизонты использования системы точного определения координат. С момента отключения режима SA точность показаний приборов повысилась с 50-100 метров до 6-7 метров. Предпосылкой к полному отключению послужило частичное отключение, предпринятое в 1990 году, во время войны в Персидском заливе. Тогда армии США не хватало собственных штатных приемников, позволявших ориентироваться в пустыне, и было закуплено порядка 10 тыс. единиц навигаторов «гражданского» предназначения.

Качество геометрии спутников
Очередным фактором, влияющим на точность показаний GPS-приемника, является качество геометрии спутников – характер взаимного расположения спутников относительно приемника. Точность определения местоположения напрямую зависит от количества спутников в «зоне видимости» прибора, а также от того, как эти спутники распределены на небосводе. Все расчеты построены не столько на определении расстояния как такового, но и на пересечении прямых, образованных расстояниями от приемника GPS до каждого из видимых спутников. Именно эти пересечения формируют зону вероятного нахождения объекта, и чем обширнее зона, тем ниже точность определения.

Оптимальным вариантом измерения считается соотношение расстояний от терминала до четырех спутников одновременно, для создания подобных условий в любой точке земного шара по орбите Земли кружат 28 спутников. Спутники равномерно распределены по орбите на высоте 20350 км. Для высокой точности измерений необходимо, чтобы спутники, находясь в пределах видимости прибора, были разнесены на максимально возможное расстояние. Если же все четыре спутника будут расположены, к примеру, только на северо-западе относительно прибора, не исключен вариант, что определить местоположение будет невозможно, либо точность определения будет неудовлетворительной (100 – 150 м.). Область вероятного расположения прибора (пересечения прямых) будет весьма значительной, что негативно отразится на точности.
Особенно важным качество геометрии спутников является при расположении приемника GPS в местности, где спутники могут быть заслонены естественными или искусственными преградами. Это могут быть горы, ущелья, высотные здания, в такой местности важно количество спутников, которые прибор может засечь одновременно, чем меньше спутников оказывается в пределах видимости, тем ниже точность определения местоположения. В то время как один или несколько спутников остаются скрытыми, или же сигнал какого-либо из спутников заблокирован, система предпринимает попытки определить положение с помощью остальных спутников.

Существует система оценки качества геометрии спутников, которая используется производителями навигационных GPS-приборов и которая характеризует уровень потери точности непосредственно из-за расположения спутников. Показатель DOP (Delution of Precision — понижение точности), учитывает количество видимых спутников в определенный момент времени и расположение спутников относительно друг друга.

Помимо универсального показателя DOP применяются его модификации:
•    PDOP – этот показатель учитывает понижение точности определения местоположения без учета возможных погрешностей при определении времени;
•    GDOP – учитывает понижение точности с учетом временных погрешностей;
•    HDOP – учитывает только горизонтальную точность определения положения;
•    VDOP – показатель учитывает только вертикальную точность;
•    TDOP – учет точности времени
Пользователями приборов используется общее правило – чем выше значения показателей DOP, тем ниже точность определения. Кроме того, на качество геометрии спутников влияет широта, на которой находится приемник, а также близость к одному из полюсов Земли (влияние атмосферы).

Гравитационные влияния
Движение спутников, обеспечивающих работу системы GPS, по своим орбитам является достаточно стабильным, однако все же случаются некоторые отклонения. Причиной этих отклонений является гравитационное поле космических объектов – Солнца и Луны. Для преодоления подобных влияний данные о текущей орбите непрерывно корректируются и отправляются к приемникам уже в обработанном виде. Но, несмотря на принятые меры, гравитационные влияния все же приводят к погрешностям в измерении местоположения, такие погрешности могут приводить к потере точности определения до 2 метров.

Влияния ионосферы
Фактором, который имеет существенное влияние на точность вычислений, является разница в скорости прохождении сигнала от спутника в космосе и разных слоях атмосферы. Так, если в открытом космосе скорость сигнала равняется скорости света, то в тропосфере, а также в ионосфере эта скорость является более низкой.
На высоте от 80 до 100 км от Земли в результате воздействия энергии Солнца сконцентрировано значительное количество положительно заряженных ионов. В слоях ионосферы сигналы от спутников, представляющие собой электромагнитные волны, преломляются, за счет чего увеличивается время их прохождения через эти слои. Для преодоления влияния этого фактора используются корректирующие вычисления, проводимые самим приемником, поскольку возможные скорости прохождения сигнала через различные слои ионосферы достаточно хорошо изучены.
Но все же GPS терминалы (gps-трекеры), предназначенные для гражданского использования, не в силах выполнять корректировку в случае непредвиденных изменений, которые могут быть вызваны солнечными ветрами. Приемники, разработанные для нужд армии, принимают два вида сигналов с различной частотой, соответственно – с различной скоростью прохождения в ионосфере. Поэтому разница во времени их прибытия позволяет скорректировать погрешность, возникающую при вычислениях скорости прохождения сигналов через ионосферу.

Влияния тропосферы
При прохождении сигнала через тропосферу возникают искажения, вызванные погодными факторами, а именно – различной концентрацией водяного пара. Предугадать уровень концентрации пара настолько же сложно, насколько затруднительно предсказывать погоду, поэтому внести коррекцию методом вычислений крайне проблематично. С другой стороны, величина погрешности, вызванная особенностями прохождения сигнала через тропосферу заметно ниже влияния ионосферы, поэтому используется примерная поправка.
Однако данные спутников, которые расположены под углом менее 10° к горизонту, не включаются в измерения именно по этой причине, поскольку искажения достаточно высоки. Более точно настроить приемники позволяют погодные карты различных регионов. Геостационарные системы навигационного покрытия WAAS (Америка) и EGNOS (Европа) отсылают скорректированные сигналы для приемников, которые поддерживают дифференцированные поправки, эти данные заметно улучшают точность определения местоположения.

Отражения сигналов
Крупные объекты, находящиеся на пути сигнала – высотные здания и прочие объекты, часто становятся причиной его отражения, которое принимается терминалом GPS вместе с прямыми сигналами. Это приводит к искажению дальности, так как отраженному сигналу требуется больше времени, чтобы достичь приемника, погрешность в результате отражения может составлять несколько метров.
Также помехой для спутниковых измерений могут стать достаточно мощные источники излучений – радиостанции, локаторы, т.п.

Относительность измерения времени
Смысл очередного фактора, влияющего на погрешность в измерениях координат положения объекта, заключается в утверждениях теории относительности. В частности, согласно этой теории, при более высоких скоростях время течет медленнее. Спутник движется по орбите со скоростью около 12 тыс. км/ч., а уже при скорости 3874 км/ч. время для движущегося объекта течет медленнее, чем для неподвижного объекта (на Земле). Разница во времени (сигналы о точном времени отправляются со спутника в составе общего пакета данных) составляет 7,2 микросекунды в день. Впрочем, погрешность, вызванная этим фактором, является незначительной в сравнении со следующим утверждением той же теории относительности.

Теория относительности также свидетельствует о том, что время находится в зависимости от силы гравитации – чем сильнее гравитационное поле, тем медленнее движется время. То есть, относительно объекта, который находится на земле, часы спутника будут идти быстрее, так как последний подвергается заметно меньшим гравитационным влияниям. Данный эффект мог бы привести к отклонениям на 38 микросекунд в день, что равнялось бы ошибкам в расчетах на 10 км. Для нейтрализации подобных эффектов нет необходимости вносить постоянные корректировки и проводить дополнительные вычисления, вместо этого было решено привести частоту часов на спутниках к определенному значению.

Еще один эффект, который учитывается при измерениях GPS только в особых случаях, известен ка «эффект Сагнака». Общий смысл явления заключается в том, что объект, находящийся на Земле в неподвижном состоянии, передвигается со скоростью порядка 500 км/ч (скорость вращения Земли). Явление приводит к определенным искажениям и зависит от направления движения объекта, поэтому для коррекции необходимы достаточно сложные вычисления. Искажения являются незначительными, хотя в некоторых случаях при измерениях принимается во внимание и этот фактор.

Округление и вычислительные ошибки
В тот момент, когда приемником GPS выполняются вычисления местоположения, данные о времени (терминала) синхронизируются с данными о времени на спутнике. Однако округления, производимые приемником при вычислениях, все же являются причиной погрешности, которая колеблется в пределах 1 м.

Заключение
Резюмируя информацию, изложенную в данной статье, мы приводим таблицу, в которой факторы, приводящие к искажению расчетов, отражены в виде примерного расстояния погрешности определения координат.
Причины погрешностей    Расстояние (метры)
Гравитационные влияния    2,5
Влияния ионосферы    5
Влияния тропосферы    0,5
Отражения сигналов    1
Относительность измерения времени    2
Округления в вычислениях    1

В сумме все причины, которые влияют на точность определения местонахождения объекта, составляют погрешность приблизительно до 15 метров. До момента отключения режима селективного доступа SA погрешность составляла до 100 метров. На уменьшение погрешности существенно влияют откорректированные данные систем WAAS и EGNOS, позволяющие сократить влияние тропосферы, гравитационные влияния, приводящие к ошибкам определения орбиты спутника. Таким образом, погрешность дополнительно может быть уменьшена еще на 3 – 5 метров.

2

Re: Причины погрешности в GPS мониторинге

Спасибо за инфу!

"Уж лучше голодать, чем что попало есть,
Быть лучше одному, чем с кем попало." Омар Хайям