Совместное использование сигналов ГЛОНАСС и GPS

Совместное использование сигналов ГЛОНАСС и GPS

Одним из важнейших направлений совершенствования и развития спутниковой радионавигации является совместное использование сигналов ГЛОНАСС и GPS. Основные цели этого процесса - повышение точности и надежности (доступности, непрерывности обслуживания и целостности) навигационных определений.

Наиболее важными предпосылками, облегчающими совместное использование и интегрирование, служат:

  • общность принципов баллистического построения обеих систем (высота орбиты около 20000 км, наклонение орбит порядка 60°, период обращения КА=12 ч и др.);
  • общность используемого частотного диапазона (1600 МГц L1 и 1200 МГц L2), а также общность сигнапьно-кодовых конструкций, использующих фазовую манипуляцию и псевдослучайные последовательности;
  • общность принципов синхронизации и измерения навигационных параметров;
  • близость используемых систем координат;
  • практическая одновременность создания и совершенствования СРНС ГЛОНАСС и GPS;
  • готовность Правительств США и России предоставить системы для использования различными потребителями мирового сообщества.
  • Рассмотрим точностные аспекты совместного использования сигналов ГЛОНАСС и GPS (ГЛОНАСС + GPS). В табл. 1 приведены средние вероятности (Р) наблюдения заданного числа КА (>=4) полной группировки ГЛОНАСС и соответствующие геометрические факторы при определении плановых координат (НDOP), высоты (VDОР) и времени (ТDOР).

    Таблица 1. Характеристики наблюдаемости КА ГЛОНАСС и геометрические факторы
    Число KA 4 5 6 7 8 9
    P 1 1 1 1 0.91 0.58
    HDOP 1.41 1.26 1.15 1.03 0.95 0.89
    VDOP 2 1.75 1.7 1.61 1.6 1.55
    TDOP 1.13 1.03 1.03 0.95 0.93 0.91

    Считая вероятностные характеристики наблюдаемости КА GPS аналогичными приведенным для ГЛОНАСС, из анализа данных первой строки табл. 1 следует, что средняя вероятность нахождения в поле видимости не менее 16 КА ГЛОНАСС+GPS составляет примерно 0,99, а 18 и более КА - 0,84.

    Таким образом, представляется целесообразным проследить дальнейшую тенденцию улучшения геометрических факторов, наметившуюся в расчетах для табл.1. Это тем более имеет смысл вследствие определившегося стремления к увеличению числа каналов аппаратуры потребителей СРНС и дифференциальных станций (до 16-20) и приема сигналов всех КА, находящихся в поле зрения БА и ДС.

    В табл. 2 приведены рассчитанные усредненные значения геометрических факторов для района г. Москвы, как функции числа используемых при навигационных определениях спутников.

    Таблица 2. Зависимость геометрических факторов от числа КА
    Число KA HDOP VDOP TDOP
    8 КА ГЛОНАСС 1.03 1.34 0.8
    10 КА ГЛОНАСС 0.84 1.24 0.72
    Все КА ГЛОНАСС+GPS 0.58 0.84 -

    Из табл. 2 следует, что использование всех КА ГЛОНАСС и GPS в дифференциальном режиме или в случае отсутствия селективного доступа к GPS приводит к повышению точности определения координат и высоты примерно в 1,6 и 1,4 раза по отношению к варианту определений по 8 и 10 КА ГЛОНАСС соответственно.

    В табл. 2 приведены также рассчитанные аналогичным образом усредненные по времени точности определения координат (среднеквадратическое радиальное отклонение; drms) и высоты (СКО) в номинальном и дифференциальном режимах с селективным доступом GPS (СД).

    Таблица 3. Точности определения координат и высоты с помощью СРНС ГЛОНАСС и GPS
    Режим Координаты; drms; м Высота; СКО; м
    Все КА ГЛОНАСС, н* 9 13.5
    16 КА ГЛОНАСС+GPS(СД);н 8.5 12.6
    Все КА ГЛОНАСС+GPS(СД);н 8.4 12.5
    Все КА ГЛОНАСС; д* 1.8 2.6
    16КАГЛОНАCC+GPS;д 1.36 1.9
    Все КА ГЛОНАСС+GPS(СД);д 1.24 1.82

    * буквы "н" и "д" обозначают номинальный и дифференциальный режимы СРНС соответственно.

    Из табл. 3 следует, что использование КА GPS в номинальном режиме с селективным доступом в дополнение к КА ГЛОНАСС приводит к повышению точности лишь на 5...10% по координатам и на 8% по высоте. Предполагалось, что точности (СКО) измерения псевдодальностей ГЛОНАСС и GPS в номинальном режиме равны 10 и 30 м соответственно.

    В дифференциальном режиме точности (СКО) определения псевдодальностей предполагались равными 2 м для обеих СРНС. Как следует из табл. 3, в дифференциальном режиме привлечение измерений GPS приводит к повышению точности по координатам и высоте в 1,3...1,5 раза.

    Необходимо заметить, что для потребителей, первоначально ориентированных на GPS, использование сигналов ГЛОНАСС дает практически троекратное повышение точности.

    Вопросы повышения надежности навигационного обеспечения при совместном использовании КА ГЛОНАСС и GPS исследованы пока меньше. Представляется, что наиболее продвинутыми являются результаты обширного моделирования процесса навигационных определений.

    В табл. 4 и 5 приведены оценки доступности функции RAIM (требуется иметь в поле видимости не менее 6 НКА) и максимальной продолжительности нерабочего состояния при использовании только КА СРЗ и GPS+ГЛОНАСС.

    Таблица 4. Доступность СРНС на различных этапах полета ВС, %
    Группировка Полет по маршруту Аэродромная зона Неточный заход на посадку
    GPS 98,58 96,53 67,26
    GPS+ГЛОНАСС (декабрь 1994 г.) 100 99.99 98.87
    GРS+ГЛОНАСС 100 100 100

    Таблица 5. Максимальная продолжительность нерабочего состояния, мин
    Группировка Полет по маршруту Аэродромная зона Неточный заход на посадку
    GPS 35 70 295
    GPS+ГЛОНАСС (декабрь 1994 г.) 0 15 30
    GРS+ГЛОНАСС 0 0 0

    При моделировании предполагалось, что при выполнении функции контроля целостности (RAIM) используется базовый алгоритм, работающий с измерениями не менее, чем от 6 КА, и исключающий из решения некондиционный сигнал. Анализ доступности проводился по группировке GPS из 24 КА и группировке ГЛОНАСС также из 24 КА, а также по действующей группировке ГЛОНАСС.

    Факт доступности устанавливался в том случае, если при нарушениях подавался сигнал тревоги с вероятностью не менее заданной в течение пролета указанного предельного участка при заданном максимально допустимом уровне вероятности ложной тревоги.

    При моделировании использовались исходные данные, сведенные в табл. 6.

    Таблица 6. Условия определения доступности
    Этап Предельный участок, км Максимально допустимая частота ложной тревоги, 1/ч Минимальная вероятность обнаружения отказа
    Полет по маршруту 3,7 0.00003 0.999
    Аэродромная зона 1.85 0.00003 0.999
    Неточный заход 0.555 0.00003 0.999

    Как следует из табл. 4,использование GPS совместно с ГЛОНАСС приводит к существенному повышению доступности особенно для неточного (некатегорированного) захода на посадку (с 67% до 100%). При этом также исключаются нерабочие состояния, максимальные длительности которых при использовании только GPS составляют от 35 до 295 мин.

    Оценим возможные точностные характеристики навигационных определений потребителя, опирающегося на ГЛОНАСС, в случае существования орбитальной группировки системы в усеченном варианте, например, 12 НКА. При этом появляются "мертвые зоны", когда навигационные определения по ГЛОНАСС отсутствуют, а также ухудшается точность определения НП за счет ухудшения геометрии НКА ГЛОНАСС и использования более грубых измерений ПД и ПС системы GPS.

    В качестве примера приведем результаты расчета с помощью программы МРWIN фирмы Маgellan геометрического фактора при определении координат ЛА (НDОР) и видимости НКА ГЛОНАСС (рис. 1-4) для Москвы на 1.8.99 г. При этом рис. 1 относится к группировке из 15 НКА, которая была в начале июня 1999 г., рис. 2,3 относятся к группировке из 12 НКА. Рис. 3 дает указанные характеристики для случая навигационных определений с известной высотой (режим 2Д), которая может, например, определяться с помощью СВС воздушного судна. Из рис. 1 следует, что неблагоприятные условия видимости и соответствующие величины НDОР имели место с 1 до 2 ч. 30 мин (время московское), с 8 до 10 часов, с 10ч. 30 мин. до 12 ч., с 17 ч. до 17ч. 30 мин. и с 21 ч. до 24 ч. Еще худшие условия складываются при 12 НКА (рис. 2). Несколько лучшие условия имеют место при определении координат в режиме 2Д (рис. 3), когда длительность неблагоприятных периодов сокращается в 2-3 раза (сравним рис. 2 и 3). Дополнительное использование GPS в условиях рис. 2 существенно улучшает обстановку; так в поле видимости постоянно находится от 8 до 16 НКА (рис. 4), а геометрический фактор (НDОР) в большинстве случаев оказывается меньше 1, Для сравнения можно использовать также данные наблюдений, проведенных с помощью приемника фирмы Ashtech GG-24 Лаборатории Линкольна МТИ (LL МIТ) 18.1.1999.

    Видимость НКА ГЛОНАСС, GPS и совместно ГЛОНАСС/GPS характеризуется рис. 5.

    Полученные при использовании только сигналов 11 НКА ГЛОНАСС погрешности навигационных определений сведены в табл. 7.

    Таблица 7. Ошибки определения НП по 11 НКА ГЛОНАСС
    Доля времени, % Ошибка определения плановых координат, м Ошибка определения высоты, м Ошибка определения горизонтальной скорости, м/с
    50 12 30.6 0.03
    95 45 121.7 1.03
    99 77.4 173.30 3.32

    В ходе проведенных наблюдений из рис. 5 определено, что полные навигационные определения координат, высоты и составляющих скорости могут быть получены в 57% времени суток. При этом в 37% времени геометрический фактор определения геодезических координат оказывается более двух. Именно для этой ситуации справедливы данные табл. 7. В то же время плановые координаты при видимости 3-х и более НКА могут быть получены в 91% времени суток.

    Picture 1.

    Рис. 1. Геометричекий фактор и видимость НКА ГЛОНАСС (15 НКА)

    Picture 2.

    Рис. 2. Геометричекий фактор и видимость НКА ГЛОНАСС (12 НКА)

    Picture 3.

    Рис. 3. Геометричекий фактор и видимость НКА ГЛОНАСС (12 НКА), 2Д

    Picture 4.

    Рис. 4. Видимость НКА ГЛОНАСС и GPS (12 НКА ГЛОНАСС)

    Picture 5.

    Рис. 5. Видимость спутников

    В табл. 8 приведены характеристики ошибок определения навигационных параметров (НП) при использовании приемником GG-24 только сигналов с С/А-кодом всех находящихся в поле видимости НКА GPS.

    Таблица 8. Ошибки определения НП по 27 НКА GРS
    Доля времени, % Ошибка определения плановых координат, м Ошибка определения высоты, м Ошибка определения горизонтальной скорости, м/с
    50 19.1 28 0.17
    95 43.8 79.2 0.42
    99 60.6 107.5 0.58

    В наихудшем случае точность использования в полете лишь 4-х НКА GPS будет определяться точностью работы по открытым сигналам с С/А-кодом с геометрическим фактором более 1-2 и составит по координатам 35 (СКО) и 50 м (drms). Из табл. 8 также следует, что даже в идеальных условиях точность (СКО) определения скорости по GPS находится на уровне 0,2 м/с, что существенно хуже точности определения скорости по системе ГЛОНАСС (лучше 0,1 м/с).

    В табл. 9 приведены характеристики ошибок совместного использования ГЛОНАСС и GPS для тех же условий, при которых получены данные табл. 7, 8.
    Таблица 9. Ошибки определения НП по 11 НКА ГЛОНАСС и 27 НКА GPS
    Доля времени, % Ошибка определения плановых координат, м Ошибка определения высоты, м Ошибка определения горизонтальной скорости, м/с
    50 10.6 27 0.04
    95 28.7 74.7 0.2
    99 43.4 113.1 0.31

    Анализ данных табл. 9 показывает, что точность совместного определения навигационных параметров по ГЛОНАСС и GPS при большом числе одновременно используемых НКА (38) практически эквивалентна точности полностью развернутой системы ГЛОНАСС.

    Приведенные примеры показывают, что совместное использование ГЛОНАСС и GPS позволяет существенно улучшить точностные и надежностные характеристики каждой системы.

    Совместное использование ГЛОНАСС и GPS поддерживается интенсивной разработкой аппаратуры потребителей, принимающей и обрабатывающей сигналы обеих систем. В качестве примеров можно указать создание приемоиндикаторов АСН-21М, АСН-22, А-744 (РИРВ), "ИНТЕР-А", А-737 (МКБ "Компас"), СН-3001,..., СН-3706 (КБ "Навис"), GG-24 (Маgellan-Ashtech), СNSS-300 (3S Navigation), Мillenium GLONASS (NovAtel) и др.

    Осуществлена также разработка ряда образцов контрольно-корректирующих станций дифференциальных подсистем СРНС и версии стандартов комиссий RТСМ и RТСА для передачи корректирующих сообщений применительно к GPS и ГЛОНАСС.

    Совместное применение обеих систем оказывается возможным благодаря близости используемых систем координат: ПЗ-90 - в ГЛОНАСС и WGS-84 - в GPS, а также благодаря имеющимся соотношениям перехода от одной системы координат к другой.

    В то же время эти соотношения нуждаются в уточнениях, что является одной из задач дальнейших совместных исследований специалистов России и США. Эти исследования продолжаются, в том числе в ходе международного эксперимента IGEX-98

    Исследование вопросов совместного использования ГЛОНАСС и GPS продолжается. В заключение отметим, что интегрирование и совместное использование ГЛОНАСС и GPS обеспечивают также резервирование навигационного обеспечения на случай непредвиденных форс-мажорных обстоятельств, связанных, например, с террористической деятельностью, земными катаклизмами и др.

    Назад
    Назад
    Стартовая страница
    Стартовая страница
    Вперед
    Вперед

    Реклама: Корекція міжбрівної зморшки скачать с ютуб зморшки.