З. Точность определения места по среднеорбитальной ГНСС

Решение навигационной задачи с помощью НАП заключается в определении пространственно-временных координат путем двухэтапной обработки навигационной информации. На I-м этапе производят измерение навигационных параметров, а на II-м этапе полученные параметры подвергаются преобразованиям на основе навигационных алгоритмов с целью расчета пространственно-временных координат.

На точность определения координат существенное влияние оказывают погрешности, возникающие при выполнении первичных и вторичных измерений. Природа этих погрешностей различны, а суммарная погрешность складывается из:

1) погрешности шкалы времени (~ ± 0,6 м);

2) погрешности вычисления орбит (~ ± 0,6 м);

3) инструментальной погрешности приемника (~ ± 1,2 м);

4) многолучевости распространения сигнала (~ ± 2,0 м);

5) ионосферной задержки сигнала (~ ± 10,0 м);

6) тропосферной задержки сигнала (~ ± 1,0 м);

7) геометрического расположения спутников (см. коэффициент GDOP).

Все дальномерные погрешности в зависимости от их происхождения можно разбить на три группы:

1) погрешности dD_НКАi, вносимые на i -ом НКА;

2) погрешности dD_ТРi, вносимые на трассе распространения сигнала i -го НКА;

3) погрешности dD_НАП, вносимые в НАП.

Первая группа погрешностей обусловлена в основном несовершенством частотно-временного и эфемеридного обеспечения НКА.

Погрешности частотно-временного обеспечения (расхождение шкал времени системы спутников и потребителя и расхождение частот их опорных генераторов) включаются в число неизвестных (оцениваемых) по измерениям и на результат обсервации влияния не оказывают, хотя для их исключения требуется избыточное количество наблюдаемых НКА (четыре для 3-х координатной обсервации).

Эфемеридные погрешности вызваны неточностью определения на КИК параметров орбит НКА и непрогнозируемыми смещениями спутника относительно экстраполированной орбиты.

К погрешностям второй группы следует отнести:

• ионосферные погрешности измерений;
• тропосферные погрешности измерений;
• погрешности, вызванные приемом отраженных местными предметами сигналов (многолучевость).

Эти погрешности в основном и определяют суммарную погрешность обсервации. Вклад их в суммарную погрешность оценивается единицами метров (практически по каждой составляющей).

К погрешностям третьей группы, обусловленной аппаратурой потребителя, можно отнести погрешности слежения за моментом прихода сигнала спутника. При этом основной вклад вносят шумовые и динамические погрешности схем слежения за задержкой огибающей и несущей сигналов НКА. Их значение в целом оцениваются величиной в несколько десятков (20 – 30) сантиметров.

Соотношение между погрешностями определения первичных и вторичных навигационных параметров зависит от геометрии взаимного расположения НКА и подвижного объекта, в качестве количественной меры которого используется коэффициент геометрии – геометрический фактор К_Г (GDOP – геометрический фактор ухудшения местоопределения).

Геометрический фактор может быть представлен в виде:

(23.25)

где К_ГП – пространственный коэффициент для трехмерных координат (PDOP – Position Dilution of Precision);

К_Гt – временной коэффициент (TDOP – Time Dilution of Precision).

Пространственный коэффициент геометрии, в свою очередь, можно разделить на две составляющие, характеризующие точность определения места подвижного объекта в горизонтальной и вертикальной плоскостях:

(23.26)

где К_ГГ – горизонтальный (HDOP – Horizontal Dilution of Precision) коэффициент для двухмерных координат;

К_ГВ – вертикальный (VDOP – Vertical Dilution of Precision) коэффициент для вертикальных координат.

Так как наиболее важной характеристикой является точность определения координат места судна, то в оценке его точности наиболее часто используются К_ГГ (HDOP).

В случае судовождения минимальное значение К_ГГ = 1,63 достигается тогда, когда один НКА находится в зените, а три других равномерно расположены в горизонтальной плоскости.

Конфигурация орбитальной группировки GPS такова, что она с вероятностью 0,999 обеспечивает в глобальном масштабе видимость в любой момент времени четырех и более НКА. При этом четыре НКА обеспечивают РDOP £ 6, HDOP = 1,5, а VDOP = 2,2.

Значения геометрических факторов, обеспечиваемых орбитальной группировкой ГЛОНАСС и вероятности видимости P_N заданного числа НКА приведены в таблице 23.4.

Геометрические факторы в СНС ГЛОНАСС

Таблица 23.5

Геометрические факторы	Значения факторов при числе видимых НКА
PN HDOP, КГГ VDOP, КГВ ТDOP, КГt РDOP, КГП GDOP, КГ	1,41 2,0 1,13 2,45 2,69	1,26 1,75 1,03 2,16 2,39	1,15 1,7 1,03 2,05 2,3	1,03 1,61 0,95 1,91 2,13	0,91 0,95 1,6 0,93 1,86 2,08	0,58 0,89 1,55 0,91 1,79 2,01

Точность определения места судна может быть рассчитана по формуле:

(23.27)

Геометрический фактор рассчитывается в приемнике, а его значение высвечивается на дисплее НАП. Однако рассчитать погрешность измерения псевдодальностей вручную – весьма сложная задача и в реальных условиях это не делается.

Для целей судовождения она принимается равной 16 м.

Радиальная (круговая) СКП определения места судна по трем НКА может быть рассчитана по приближенной формуле:

(23.28)

где m_D – СКП определения расстояния до НКА;

h_СР – средняя угловая высота НКА;

D А – разность азимутов между парами НКА.

Выражение

(23.29)

– характеризует геометрические условия наблюдений (геометрический фактор HDOP).

При работе по трем НКА HDOP имеет минимальное значение (Г = 1,45), если все 3 НКА размещены одинаково низко над горизонтом, образуя равносторонний треугольник с D А» 120°.

Погрешность обсервации пропорциональна величине Г (рис. 23.12).

Величина Г вычисляется при обсервациях один раз в течении 5¸10 минут

Для точных обсерваций 1,5 < Г < 5. При Г > 10 место получается менее точно.

Если на дисплее ПИ вместо цифрового значения Г высвечивается его буквенная характеристика, то это означает:

А – высокая точность;

В – хорошая точность;

С – удовлетворительная точность;

Д – плохая точность.

Рис. 23.16. Погрешность обсервации по ГНСС

Объявленная точность СНС GPS для режима (Р = 0,95), а для режима Р – М_О = 50 м (Р = 0,95) и практика подтверждает эти точности.

Следует иметь в виду, что при использовании СНС GPS (США), могут иметь место погрешности из-за несоответствия геодезической основы карты и параметров референц-эллипсоида, принятого для расчета в судовом приемоиндикаторе.

Поэтому перед нанесением обсервованной точки на путевую МНК, полученные с ПИ координаты (j₀, l₀) должны быть исправлены поправками за расхождение геодезических систем судового ПИ и путевой МНК.

Поправки к координатам даются на карте в следующей форме:

– для перехода от WGS-84 к карте: D j = 0,05¢ к S, D l = 0,09¢ к Е.

(Во многих типах судовых ПИ есть программы пересчета координат из геодезической системы ПИ WGS-84 в геодезическую систему карты).

Выводы

1. Искусственный спутник Земли (ИСЗ) – искусственно созданное небесное тело, обращающееся вокруг Земли только под действием силы ее притяжения, без участия каких-либо других сил.

2. Орбита ИСЗ – траектория его движения относительно центра Земли. Плоскость орбиты всегда проходит через центр Земли.

3. Малый круг в пределах которого могут приниматься радиосигналы ИСЗ называется зоной радиовидимости.

4. Координаты ИСЗ на любой момент времени определяются по формулам сферической тригонометрии.

5. Необходимым элементом СНС, основанной на использовании НКА, является комплекс наземных станций – наземный контрольно-измерительный комплекс.

6. Определение места судна по НКА сводится к отысканию точки пересечения линий положения на поверхности земного сфероида.

7. Место судна в море при помощи НКА можно определить измеряя расстояния до НКА, направления на НКА в горизонтной системе координат, разность расстояний до нескольких последовательных положений НКА на орбите, скорость и ускорение сближения с НКА.

8. Доплеровский метод определения линии положения при помощи НКА можно осуществить дифференциальным или траверзным способами.

9. Методами определения места судна с помощью навигационных спутников являются дальномерный, псевдодальномерный, разностно-дальномерный и радиально-скоростной.

10. В составе современных ГНСС (и «ГАЛИЛЕО» ЕС в перспективе) второго поколения ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США) функционируют три основные подсистемы: 1) ­ подсистема навигационных космических аппаратов (НКА) – космический сегмент; 2) ­ подсистема контроля и управления – наземный командно-измерительный комплекс (КИК) – сегмент управления; 3) ­ подсистема навигационной аппаратуры потребителей (НАП) – судовые приемоиндикаторы.

11. Глобальная навигационная спутниковая система (ГНСС) предназначена для непрерывного и высокоточного определения координат места различных объектов, их курса и скорости, в любой точке Земли или околоземного пространства в любое время суток и в любую погоду.

12. Точность определения координат места судна с помощью ГНСС находится в пределах 100 м для вероятности 0,95, а при приеме и обработке сигналов дифференциальных поправок не более 10 м для вероятности 0,95.

Примечание: Самоконтроль знаний по теме проводится по тестовым заданиям к главе на базе приложения «Компьютерная система тестирования знаний «OPENTEST»».