Gradul de precizie al calculului coordonatelor este afectat de un număr de factori care depind de procedura de determinare a acestora. Ele sunt numite factorii de reducere a preciziei. În această prelegere, vor fi luați în considerare principalii factori care afectează acuratețea măsurătorilor prin satelit.
Factorii care afectează precizia măsurătorilor prin satelit
În sistemele globale de poziționare, precizia determinării locației unui obiect depinde de gradul de eroare care apare la măsurarea distanțelor de la terminal la sateliți. Gradul de influență al unui număr de factori depinde de cât de precis va fi determinată localizarea receptorului, această eroare va fi de un metru sau zece sau chiar o sută de metri.
Fig. 1. Satelitul "Navstar-GPS".
Factorii care afectează în mod direct gradul de eroare includ:
· Eroare specială (SA);
· Calitatea geometriei satelitului;
Relativitatea măsurării timpului;
Rounding și erori de calcul
Acest factor reprezintă o eroare artificială, denaturarea intenționată a semnalului timpului transmis prin satelit, prin precizia dispozitivului de poziționare GPS a obiectului a fost redus la 50-150 metri. Precizie sateliți artificiali realizate de semnalele, în conformitate cu cerințele modului SA - disponibilitate selectivă (Disponibilitate selectivă), a cărui sarcină a fost de a limita precizia de civil GPS-receptoare [1]. În modul SA, se introduc erori de origine artificială, care sunt introduse în semnalul de pe sateliții GPS, pentru a mări măsurătorile de navigație. Astfel de erori sunt date incorecte privind orbita satelitului și distorsionarea citirilor ceasului său datorită adăugării unui semnal pseudo-aleator suplimentar. Mărimea deviației rădăcină medie-pătrată datorată influenței acestui factor este de aproximativ 30 m [2].
Motivul creării unei "erori speciale" a fost acela de a asigura securitatea statului din SUA. La momentul organizării și dezvoltării, sistemul GPS de poziționare globală a fost exclusiv o dezvoltare militară concepută pentru a răspunde nevoilor forțelor de securitate. Numai în timp, sistemul de navigație a fost comercializat, iar civilii au reușit să determine locația. Pe lângă scopurile exclusiv pașnice, sistemul de poziționare ar putea fi folosit pentru diverse acțiuni malitioase care ar reprezenta o amenințare directă la adresa securității. Astfel, organizațiile teroriste ar putea folosi GPS-ul pentru a localiza obiecte strategice și ar indica cu precizie armele la distanță.
Fig. 2. Valoarea erorii înainte și după dezactivarea modului SA.
Fig. 3. Precizia determinării coordonatelor cu modul SA activat
Fig. 4. Precizia determinării coordonatelor după dezactivarea modului SA
Calitatea geometriei sateliților
Un alt factor care afectează precizia indicațiilor receptorului este calitatea geometriei satelitului - natura poziției relative a sateliților față de receptor. Precizia poziționării depinde în mod direct de numărul de sateliți din "câmpul vizual" al dispozitivului, precum și de modul în care acești sateliți sunt distribuiți pe cer. Toate calculele se bazează nu atât pe distanța ca atare, cât și pe intersecția liniilor drepte formate de distanțele de la receptor către fiecare dintre sateliții vizibili. Aceste intersecții formează zona locației probabile a obiectului, iar cu cât este mai largă zona, cu atât este mai redusă precizia determinării.
Fig. 5. Poziționarea relativă a sateliților față de receptor
Raportul optim este considerat unul distanțele de măsurare de la un terminal la patru sateliți simultan, pentru a crea astfel de condiții în orice punct al globului de sateliți pe orbita Pământului se învârt 28 [3]. Sateliții sunt distribuiți uniform pe orbită la altitudine
20 mii km. Pentru o precizie ridicată a măsurătorilor, este necesar ca sateliții, în limitele vizibilității instrumentului, să fie distanțați pe cât posibil. Dacă toate cele patru sateliți vor fi aranjate, de exemplu, numai în nord-vest în raport cu instrumentul, nu este exclus posibilitatea ca va fi imposibil să se determine locația sau acuratețea determinării va fi nesatisfăcătoare (100 - 150 m.). Zona locației probabile a dispozitivului (intersecția liniilor) va fi foarte semnificativă, ceea ce va afecta negativ acuratețea.
Fig. 6. Sateliții GLONASS și GPS relativ la Pământ
Calitatea deosebită a geometriei satelitului este atunci când receptorul este amplasat într-o zonă în care sateliții pot fi blocați de obstacole naturale sau artificiale. Acest lucru poate fi munți, ravene, clădiri înalte, este important ca în astfel de zone numărul de sateliți pe care instrumentul poate detecta simultan sateliții mai mici, se află vedere, precizia locației de jos [4]. In timp ce unul sau mai mulți sateliți rămân ascunse, sau semnalul oricăruia dintre sateliții este blocat, sistemul încearcă să determine poziția cu ajutorul altor sateliți.
Există un sistem de evaluare a calității geometriei satelitului, care este utilizat de producătorii de instrumente de navigație și care caracterizează nivelul pierderii de precizie datorită locației sateliților. Indicatorul DOP (Deluția de precizie) ia în considerare numărul de sateliți vizibili la un anumit moment și localizarea sateliților unul față de celălalt.
În plus față de indicatorul universal DOP, se aplică modificările sale:
· Factorul geometric de reducere a preciziei (GDOP) determină gradul de influență al erorilor pseudo-intervalului (care caracterizează măsura distanței utilizatorului de la satelit) asupra corectitudinii coordonatelor de calcul. Depinde de poziția satelitului față de receptor și de compensarea ceasului. Diferența dintre valorile intervalului pseudo-interval și a intervalului real este asociată cu o schimbare în citirile ceasului satelit și a consumatorului, cu întârzieri de propagare și alte erori.
· Factorul orizontal de scădere a acurateței (HDOP) indică gradul de influență al acurateței definirii unei orizonturi pe o eroare de calcul a coordonatelor.
· Reducerea preciziei poziției (PDOP) este o măsură fără dimensiuni care descrie modul în care eroarea de pseudo-distanță afectează precizia determinării coordonatelor.
· Factorul de degradare relativ (RDOP) este, de fapt, egal cu factorul de reducere a preciziei normalizat pentru o perioadă de 60 s.
· Factorul de timp de precizie (TDOP) descrie măsura în care acuratețea ceasului este afectată de precizia determinării coordonatelor.
· Factorul de degradare a accelerației (VDOP) indică gradul de influență al erorii în plan vertical pe precizia determinării coordonatelor.
Utilizatorii de dispozitive utilizează regula generală - cu cât sunt mai mari valorile DOP, cu atât este mai mică precizia determinării.
Fig. 7. Componentele indicatorului PDO
În plus, calitatea geometriei satelitului este influențată de latitudinea pe care se află receptorul, precum și de apropierea de unul dintre poli de pe Pământ (influența atmosferei).
Mișcarea sateliților care asigură funcționarea sistemului este suficient de stabilă în orbitele sale, dar există încă unele abateri. Motivul acestor deviații este domeniul gravitațional al obiectelor spațiale - Soarele și Luna. Pentru a depăși astfel de influențe, datele privind orbita actuală sunt corectate continuu și trimise receptoarelor deja în formă prelucrată. Dar, în ciuda măsurilor luate, influențele gravitaționale duc încă la inexactități în măsurarea locației, astfel de erori pot duce la o pierdere de precizie a detectării de până la 2 metri.
Factorul care are un efect semnificativ asupra preciziei calculelor este diferența dintre viteza semnalului de la satelit în spațiu și diferitele straturi ale atmosferei. Deci, dacă în spațiul cosmic viteza unui semnal este egală cu viteza luminii, apoi în troposferă și, de asemenea, în ionosferă, această viteză este mai mică.
La o altitudine de 80-100 km de Pământ, ca urmare a energiei Soarelui, se concentrează o cantitate semnificativă de ioni încărcați pozitiv. În straturile ionosferei, semnalele de la sateliți, care sunt unde electromagnetice, sunt refractate, din cauza cărora crește timpul trecerii lor prin aceste straturi. Pentru a depăși influența acestui factor, calculele corective sunt efectuate de către receptorul însuși, deoarece ratele posibile ale trecerii semnalului prin diferite straturi ale ionosferei au fost suficient de bine studiate.
Una dintre metodele cele mai eficiente pentru modelarea ionosferei este așa-numita tehnică de asimilare a datelor. Esența acestei tehnici este de a corecta modelul fizic al ionosferei cu ajutorul datelor experimentale obținute în mod operativ. Un model ionosferic convențional, bazat pe fizica proceselor studiate, nu poate acoperi întreaga gamă de factori care afectează starea plasmei. Acest lucru se datorează faptului că unele dintre cantitățile necesare pentru acest lucru sunt greu de măsurat experimental (viteza vântului la altitudini ale termosferei, trecerea prin atmosferă a razelor cosmice etc.). În plus, chiar și influența unor factori bine studiate, cum ar fi, de exemplu, activitatea solară, este dificil de prezis.
În acest sens, un model capabil să furnizeze o precizie ridicată a descrierii distribuției caracteristicilor plasmei trebuie să obțină în timp real informații experimentale privind starea ionosferei. Datele care pot fi utilizate în acest tip de abordare ar trebui să fie accesibile și relevante și, printre altele, actualizate cu promptitudine. Aceste date sunt disponibile și actualizate în mai multe arhive, cum ar fi, de exemplu, arhiva SOPAC [5]. În prezent există mai multe modele de asimilare în lume. Printre acestea - modelul GAIM dezvoltat cu finanțarea Departamentului Apărării al SUA [6]. În Rusia, evoluțiile în această direcție se desfășoară la Observatorul Aerologic Central [7].
Cu toate acestea, receptoarele destinate utilizării civile nu pot efectua o ajustare în cazul unor modificări neprevăzute care pot fi cauzate de vânturile solare. Receptoarele concepute pentru nevoile armatei, iau două tipuri de semnale cu frecvențe diferite, respectiv - cu viteze diferite în ionosferă. Prin urmare, diferența dintre timpul lor de sosire face posibilă corectarea erorii care apare la calcularea vitezei de trecere a semnalelor prin ionosferă.
În ciuda faptului că mesajul de navigație transmis de la placa de satelit conține parametri ai modelului ionosferic, compensarea pentru întârzierea reală este cel mult 50%. În acest caz, magnitudinea întârzierii ionosferice nemodificate reziduale poate provoca o eroare în determinarea intervalului pseudo-de aproximativ 10 m [8].
Troposfera este stratul cel mai de jos al atmosferei de pe suprafața pământului (până la o înălțime de 8-13 km) [9]. De asemenea, provoacă o întârziere în propagarea semnalului radio de la satelit. Cantitatea de întârziere depinde de parametrii meteorologici (presiune, temperatură, umiditate) și, de asemenea, de altitudinea satelitului deasupra orizontului. Compensarea întârzierilor troposferice se face prin calcularea modelului matematic al acestui strat al atmosferei. Coeficienții necesari pentru acest lucru sunt conținute în mesajul de navigare. Amânările troposferice produc erori de măsurare pseudorange de 1 m.
Atunci când un semnal trece prin troposferă, există distorsiuni cauzate de factorii meteorologici, și anume prin concentrații diferite de vapori de apă. Previziunea nivelului de concentrație a vaporilor este la fel de dificilă, deoarece este dificil să se prevadă vremea, prin urmare este extrem de problematic să se facă corecția prin metoda de calcul. Pe de altă parte, magnitudinea erorii cauzată de particularitățile trecerii semnalului prin troposferă este considerabil mai mică decât cea a ionosferei, deci se folosește o corecție aproximativă.
Cu toate acestea, datele din sateliții care se află la un unghi mai mic de 10 ° față de orizont nu sunt incluse în măsurători tocmai din acest motiv, deoarece distorsiunile sunt destul de ridicate. Configurarea mai precisă a receptoarelor permite hărți meteorologice din diferite regiuni. Sistemele de navigație geostaționară WAAS (America) și EGNOS (Europa) trimit semnale corectate receptoarelor care suportă corecții diferențiate, aceste date îmbunătățind semnificativ precizia poziționării.
Obiectele mari aflate în calea semnalului - clădiri înalte și alte obiecte, devin deseori cauza reflecției sale, care este recepționată de receptor împreună cu semnale directe. Acest lucru duce la o distorsiune a intervalului, deoarece semnalul reflectat necesită mai mult timp pentru a ajunge la receptor, eroarea datorată reflexiei poate fi de câțiva metri.
Fig. 8. Reflectarea semnalelor
De asemenea, interferența cu măsurătorile prin satelit poate fi surse suficient de puternice de radiații - posturi de radio, locatoare etc.
Articole similare
-
Influența poziției relative a sateliților asupra acurateței direcției lor de căutare
-
Instalarea unui antene satelit - determinarea sferei vizibile a sateliților
Trimiteți-le prietenilor: