Пользовательского поиска

ИОНОСФЕРНЫЕ И ТРОПОСФЕРНЫЕ ЗАДЕРЖКИ СИГНАЛОВ

Много изобретательности было проявлено ради того, чтобы любой элемент или сегмент GPS функционировал настолько точно, насколько это возможно. На спутниках размещены атомные часы. Проводятся дополнительные измерения для устранения любой ошибки, которую могли бы иметь часы приемника. Спутники почти ежеминутно передают поправки к своему орбитальному положению. Но как бы совершенна ни была система, существуют два источника погрешностей, влияния которых очень трудно избежать.

Наиболее существенные погрешности возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высотах от 50 до 1000 километров. Эти частицы заметным образом влияют на скорость распространения света и радиоволн.

Скорость света определяется как константа только для вакуума, который существует в глубоком космосе. Но когда свет или радиосигнал проходят через более плотную среду, например через слой заряженных частиц, скорость их распространения немного уменьшается. Это делает невозможными вычисления расстояний до спутников, если они построены на предположении о ее строгом постоянстве.

Помните школьную задачу о том, как далеко уедет автомобиль, если он движется со скоростью 60 миль в час в течение 2 часов? Представьте теперь, что где-то по дороге, не предупредив нас, парень, управляющий машиной, вышел бы из нее, чтобы купить себе содовой. Примерно то же проделывают свет и радиосигнал. Они замедляют или ускоряют свое распространение в зависимости от свойств среды, через которую проходят.

Существует пара методов, которые можно использовать, чтобы сделать минимальными возникающие при этом ошибки.

Во-первых, можно предсказать, каково будет типичное изменение скорости в обычный день, при средних ионосферных условиях, а затем ввести поправку во все наши измерения. Это - решение. Но, к сожалению, не каждый день является обычным.

Другой способ состоит в сравнении скоростей распространения двух разночастотных радиосигналов. Дело в том, что когда радиоволна проходит через ионосферу, возникает запаздывание в ее распространении, т.е. задержка сигнала, обратно пропорциональная квадрату частоты излучения. Чем ниже несущая частота сигнала, тем больше он замедляется.

Если сравнить в приемнике времена распространения двух разночастотных компонент сигнала GPS, то для каждой из них можно вычислить временную задержку в ионосфере. Этот метод корректировки достаточно сложен и используется только в наиболее совершенных, так называемых "двухчастотных" приемниках GPS. В них большая часть погрешности от ионосферной задержки может быть устранена.

После того, как радиосигналы спутников GPS покинули расположенную очень высоко ионосферу, они попадают в тропосферу, в которой происходят все погодные явления. Влага в той или иной ее форме, практически постоянно находящаяся в тропосфере, также вызывает задержки в распространении радиоволн, которые, однако, гораздо труднее выявить. К счастью, их суммарный вклад в погрешность вычисления местоположения значительно меньше, чем ширина обычной улицы.

Другие виды ошибок

Ионосферные и тропосферные задержки - только один тип погрешностей, которые могут вкрасться в измерения. И уж если мы обсуждаем источники погрешностей, давайте перечислим все, что может повлиять на конечную точность GPS.

Как бы точны ни были атомные часы на спутниках, все же и у них имеются источники небольших погрешностей. МО следит за этими часами и может "подвести", т.е. сверить их, если выявиться хотя бы незначительный уход. Но даже при этом возникающие иногда небольшие неточности заметно влияют на точность измерений.

Аналогично атомным часам на спутниках, приемники на Земле тоже иногда ошибаются. Компьютер приемника может допустить ошибку, выполняя математическую операцию. Электрические помехи могут привести к ошибочной обработке псевдослучайных кодов. Обычно погрешности этого рода бывают или очень маленьким, или очень большими. Большие легко определяются, поскольку они очевидны. Труднее обнаружить малые отклонения в процессе вычислений. Но и они могут привнести несколько долей метра неопределенности в координаты местоположения.

Другой тип погрешностей, в которых нельзя обвинить ни спутник, ни приемник - это "ошибки многолучевости". Они возникает, когда сигналы, передаваемые со спутника, многократно переотражаются от окружающих предметов и поверхностей до того, как попадут на антенну приемника. В результате сигнал спутника не проходит к приемнику по прямой, как тому следует быть, а вместо этого совершает "окольный путь". Это тот же самый эффект, который вызывает сдвоенное изображение в телевизорах. В современных приемниках применяются усовершенствованная техника обработки сигналов и специальные антенны для сведения к минимуму этой проблемы. Однако, в измерениях все же может возникнуть некоторая неопределенность по этой причине.

Погрешности измерений - это неопределенность координат

Все источники погрешностей, которые до сих пор обсуждались, суммируются и придают каждому измерению в GPS некоторую неопределенность. Поэтому вместо того, чтобы сказать, что что-то находится в десяти метрах от нас, мы говорим: "в десяти метрах плюс или минус один сантиметр". Можно представить это и по другому, считая, например, что некоторая линейка не имеет отчетливых краев, т.е. точно отмеченных начального и конечного делений.

К счастью, взятые вместе все эти неточности не слишком много добавляют в суммарную погрешность местоопределения. На практике приемник GPS может указать местоположение с погрешностью в пределах сотни метров и даже точнее, если это хороший приемник.

Геометрия, или почему некоторые углы лучше других

Для достижения наибольшей точности в хорошем приемнике GPS определяется некоторый "геометрический фактор", названный "Geometric Dilution of Precision - GDOP" (геометрический фактор понижения точности).

Это может выглядеть как попытка дипломатичным образом признать, что наши определения оставляют желать лучшего. Суть же дела в том, что точность местоопределения в GPS при прочих одинаковых условиях зависит от того, какие именно спутники, из числа находящихся в прямой видимости, используются в качестве "рабочего созвездия". Не потому, что один спутник лучше другого. А потому, что, в зависимости от их взаимного расположения на небосводе, геометрические соотношения, которыми характеризуется это расположение, могут многократно увеличивать или уменьшать все неопределенности, т.е. погрешности местоопределения, о которых говорилось ранее.

Это немного похоже на игрока в бильярд, выбирающего траекторию движения шара при ударе. Он знает, что при некоторых углах взаимного расположения шаров он может допустить и небрежность, и все же попасть в лузу. При других увеличивается любой незначительный промах и получаются удары с низким процентом попаданий.

Чтобы понять это, давайте вернемся к рисункам. На них местоположение определялось в виде окружностей, центры которых совмещены со спутниками. Теперь, когда известно, что каждое измерение содержит в себе и небольшую неопределенность, ранее четкие окружности следует изобразить размытыми.

Как и в случае с линейкой можно утверждать только то, что измеренное расстояние "где-то 20000 километров плюс или минус 10 метров". И рисунки теперь будут выглядеть следующим образом.

Полоски размытости есть ни что иное, как "области неопределенности". То, что ранее было точкой местоположения "Х", теперь превращается в небольшой четырехугольник. И можно утверждать лишь то, что мы должны находиться где-то внутри этого четырехугольника.

Вот что такое "геометрический фактор понижения точности". В зависимости от угла между направлениями на спутники область пересечения размытых окружностей (область неопределенности местоположения) может быть или аккуратным небольшим квадратиком, или большим вытянутым четырехугольником. Проще говоря, чем больше угол между направлениями на спутники, тем лучше измерения.

Исходя из этого, хорошие приемники снабжают вычислительными процедурами, которые анализируют относительные положения всех доступных для наблюдения спутников и выбирают из них четырех кандидатов, т.е. наилучшим образом расположенные четыре спутника, для которых протяженность (площадь) "прямоугольника неопределенности" в текущий отрезок времени минимальна. Еще более сложные приемники вычисляют местоположение на основе измерений расстояний (дальностей) до всех спутников, находящихся в поле зрения. При этом влияние геометрии созвездия становится наименьшим.

Точность GPS

Результирующая погрешность GPS определяется совместным влиянием погрешностей от различных источников. Вклад каждого из них варьируется в зависимости от атмосферных условий и качества оборудования. Кроме этого, точность может быть целенаправленно снижена Министерством обороны США в результате установки на спутниках GPS так называемого режима S/A ("Selective Availability"- ограниченный доступ). Этот режим разработан для того , чтобы не дать возможному противнику тактического преимущества в определении местоположения с помощью GPS. Когда и если этот режим установлен, он создает наибольшую компоненту суммарной погрешности GPS.

Сводка погрешностей

( по наблюдениям за спутниками ранних серий Block -I) погрешности в метрах

  • Погрешности часов спутника: 0,6
  • Эфемеридные погрешности: 0,6
  • Погрешности приемника: 1,2
  • Атмосферные и ионосферные задержки: 3,7
  • Наибольшие погрешности от S/A (если режим установлен): 7,6
  • Суммарная погрешность (среднеквадратичная, в зависимости от установки S/A-режима): от 4,6 до 9,1

Для вычисления действительной погрешности следует умножить приведенную выше суммарную погрешность на геометрический фактор GDOP.

Величина GDOP при хороших условиях находится в диапазоне от 4 до 6.

Таким образом, реальная погрешность , которую можно ожидать, могла бы быть:

  • Типичная, при хорошем приемнике: от 18 до 30
  • Наихудший случай: 60
  • При установленном S/А-режиме: 105

 

ТАКИМ ОБРАЗОМ :

  • Ионосфера и тропосфера Земли вызывают задержки спутниковых сигналов, которые можно пересчитать в ошибки местоопределения.
  • Часть этих ошибок может быть устранена путем расчета или физического моделирования.
  • Другие источники ошибок - это часы спутников, вычислительные шумы бортовых компьютеров, электрические шумы приемников и многолучевость.
  • Не наилучшее взаимное расположение спутников на небосводе приводит к одновременному и одинаковому увеличению всех компонент суммарной погрешности местоопределения.


Главная | Карты on-line | Геодезическое оборудование | Проекты и услуги | Атласы карты | Статьи | Полезные ссылки | О себе

Copyright © 2000—2008 «GIS center Gradostroitel»

GeoTop

Rambler's Top100
Смотрите описание санаторий боровое отзывы у нас. | Как открыть салон эротического массажа. | Описание конкурсы на валютном рынке у нас на сайте.
Стройматериалы Орехово-Зуево | оригинальный аксессуар для htc чехлы ipad pro 9.7 киев сайт ihappy.com.ua чехол на ipad