Навігаційне забезпечення суден

· метод корекції навігаційних параметрів, при використанні якого на базовій станції визначаються поправки до вимірюваних параметрів (наприклад, псевдодальностям) для всіх супутників, які потенційно можуть бути використані споживачами. Ці поправки передаються споживачам і враховуються при рішенні навігаційної задачі. Недоліком цього методу є підвищення складності апаратури споживачів.

Результати, отримані за допомогою диференціального методу, в значній мірі залежать від відстані між споживачем і базовою станцією. Застосування цього методу найефективніше, коли переважаючими є систематичні помилки, обумовлені зовнішніми (по відношенню до приймача) причинами. Ці помилки значною мірою компенсуються при близькому розташуванні базової станції і приймача споживача. Тому зона обслуговування базової станції складає не більше 250 миль.

Передача диференціальних поправок від базової станції до споживача може здійснюватися за допомогою телефонії або радіозв'язку, по системах супутникового зв'язку (наприклад, INMARSAT), а також з використанням технології передачі цифрових даних RDS (Radio Data System) на частотах FM-радіостанцій. В даний час в багатьох країнах вже діє розвинена мережа базових (диференціальних) станцій, що постійно транслюють поправки на певну територію.

Наприклад, в США диференціальні поправки передаються береговою охороною через морські радіобуї, що працюють на частоті 283,5-325 кГц. Користуватися цим сервісом може будь-який охочий. Під Санкт-Петербургом в лютому 1998 року була встановлена перша базова станція. Вона передає диференціальні поправки на частоті 298,5 кГц.

1.3.1 Класифікація сучасних диференціальних систем супутникової навігації

Джерела [. Global Positioning System: Theory and Applications. Edited by B.W. Parkinson and J.J. Spilker Jr. Published by the American Institute of Aeronautics and Astronomics Inc. 1996., . Muellerschoen R.J., Bertiger W.I., Lough M., Stovers D. and Dong D. An Internet-Based Global differential GPS System, Initial Results. ION National Technical Meeting. Anaheim. CA. Jan. 2000., . Muellerschoen R.J., Bar-Sever Y.E., Bertiger W.I., Stovers D.A. Decimeter Accuracy. NASA's Global DGPS for High-precision Users. GPS World. January 2001. P. 14-20. ] дозволяють провести наступну класифікацію сучасних диференціальних систем супутникової навігації.

1. Системи диференціальної навігації по кодових і псевдофазових вимірюваннях. Системи диференціальної навігації по кодових вимірюваннях будуються на основі вимірювання і обробки псевдодальностей, в загальному випадку, мають необмежену область дії і характеризуються помилками місцевизначення від доль метра до декількох метрів. Системи диференціальної навігації по псевдофазових вимірюваннях характеризуються дуже високою точністю місцевизначення (до десятої частини сантиметра). Проте область їх дії обмежена дальністю ~10-12 км. в одночастотном режимі і ~100 км. в двочастотному режимі. Специфічною особливістю диференціальних систем по псевдофазових вимірюваннях є неоднозначність цих вимірювань, що утрудняє їх використання. Системи диференціальної навігації по псевдофазових вимірюваннях іноді називають системами відносних визначень [. Манин А.П., Романов Л. М. Методы и средства относительных определений в системе NAVSTAR // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 1. С. 33-45. ].

2. Системи диференціальної навігації по кодових вимірюваннях, у свою чергу, розділяють на локальні (Local Area Differential GPS), широкодіапазонні (Wide Area Differential GPS, WADGPS) і глобальні (Global Differential GPS, GDGPS). Подальша уточнююча класифікація систем диференціальної навігації проводитиметься тільки для систем на основі кодових вимірювань.

3. Більшість сучасних систем диференціальної навігації є локальними. Вони використовують тільки одну наземну станцію вимірювань і формування диференціальних поправок (далі називатимемо її Дифстанцією). Дифстанція розташовується в центрі локальної зони, розмір якої згідно [5] може доходити до 200 км. В центрі зони забезпечується точність місцевизначення порядка 0,5-1 м. На периферії зони точність погіршується і поступово наближається до точності абсолютних місцевизначень. Диференціальні поправки в локальних системах диференціальної навігації можуть формуватися на основі методу корекції координат [. Шебшаевич В.С., Григорьев М.Н., Кокина Э.Г., Мищенко И.Н., Шишман Ю.Д. Дифференциальный режим сетевой спутниковой радионавигационной системы // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. № 1. С. 5-32.] (the position-domain approach [10]) і методу корекції навігаційних параметрів [9] (the measurement-domain approach [. Whitehead M.L., Penno G., Feller W.J., Messinger I., Bertiger W.I., Muellerschoen R.J., Ijima B.A., Piesinger G. A Close Look at Satloc's Real-Time WADGPS System. GPS Solutions. 1998. Vol. 2. № 2. P. 46-63.]). На практиці більшого поширення набув другий метод, в якому ДИФстанція формує поправки до вимірювань псевдодальностей для кожного з видимих нею супутників. Споживач поправляє свої вимірювання псевдодальностей по тих же супутниках на значення, отримані від Дифстанції. Для передачі поправок, сформованих відповідно до методу корекції навігаційного параметра, був розроблений спеціальний стандарт RTCM SC-104 [. RTCM PAPER 11-98/SC104-STD. RTCM RECOMMENDED STANDARTS FOR DIFFERENTIAL GNSS (GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SYSTEMS) SERVISE. VERSION 2.2. DEVELOPED BY RTCM SPESIAL COMMITTEE NO. 104. JANUARY 15, 1998. Radio Technical commission For Marine Services. 1800 Diagonal Road. Suite 600. Alexandria. Virginia 22314-2840 U.S.A.], що враховує в даний час особливості навігаційних систем GPS і ГЛОНАСС.

4. У широкодіапазонних системах диференціальної навігації (WADGPS) використовується мережа станцій збору інформації (СЗІ) і принципово інший метод формування диференціальних поправок [5, 11, . Muellerschoen R.J., Bertiger W.I., Whitehead M.L. Flight Tests Demonstrate Sub 50 cms RMS Vertical WADGPS Positioning. Proceedings of ION GPS-99. Nashville. Tenn. September 1999. P. 199-210.]. Цей метод отримав назву the state-space approach (дослівно - метод корекції параметрів простору стану або, змістовніше, метод корекції параметрів моделей руху НО, параметрів моделі іоносферних затримок і зсувів шкал часу навігаційних супутників). У широкодіапазонних системах вимірювання двочастотних навігаційних приймачів, розташованих на станціях збору інформації (СЗІ), збираються в єдиний центр, де здійснюється їх сумісна обробка з метою оперативного уточнення параметрів моделей руху КА, зсуви шкал часу супутників і складання карт вертикальних іоносферних затримок. Всі перераховані дані потім оперативно передаються тим або іншим способом споживачеві, який використовує їх для уточнення даних, витягуваних їм з сигналів навігаційних супутників. Згідно [5, 11, 12], широкодіапазонні системи диференціальной навігації забезпечують точність місцевизначення з среднеквадратической помилкою ~0,5 м в області, охоплюваною мережею СЗІ, і суміжних з нею областях. У [12] указується на сильну кореляцію між помилками оцінки зсувів шкал часу і помилками оцінки вертикальних координат приймача. Така кореляція виникає унаслідок ідентичності відповідних приватних похідних, особливо для супутників з великими кутами місця. Стабілізація опорних частот приймачів станцій збору інформації і приймача споживача за допомогою рубідієвих генераторів дозволяє краще розділяти помилки оцінки зсуву шкал часу і вертикальних координат приймача.

Додатковим, дуже важливою властивістю широкодіапазонних систем є можливість різкого підвищення цілісності, в порівнянні з цілісністю, властивою базовими супутниковими системами. У [5] обговорюються способи підвищення цілісності за рахунок використання можливостей, що надаються широкодіапазонними системами диференціальної навігації.

В даний час в світі відомо тільки дві широкодіапазонні системи диференціальної навігації. Перша система WADGPS належить фірмі Satloc [11, 12]. Друга система WAAS [1] (Wide Area Augmentation System) належить уряду США. Обидві системи розгорнені і експлуатуються на території США.

У [12] приводиться цікаве порівняння характеристик системи WADGPS фірми Satloc з характеристиками системи WAAS. Затримка формування поправок, що коректують, в системі фірми Satloc складає 4 с, а системі WAAS ~6 с. Satloc використовує тільки 15 СЗІ, розташованих тільки на континентальній території США. WAAS використовує надмірне число з 24-х СЗІ, розташованих як на континентальній території США, так і на Алясці і Гавайських островах. Для того, щоб задовольнити строгим вимогам доступності (availability), що забезпечують високий ступінь цілісності, система WAAS вимагає два або більш геостаціонарних супутника, випромінюючих додаткові далекомірні коди. Швидкість передачі корегуючої інформації в системі фірми Satloc рівна 750 біт/с, а в системі WAAS -- 250 біт/с.

Згідно [11, 12], функціонування широкодіапазонних систем диференціальної навігації засноване на використанні трьох основних видів програмного забезпечення. Перший вид - програмне забезпечення уточнення параметрів орбіт і зсуву шкал часу супутників. Другий вид - обчислення докладних карт вертикальних іоносферних затримок. Третій вид - програмне забезпечення, організуюче безперервне функціонування наземної мережі диференціальної системи в реальному масштабі часу.

Огляд літератури [5, . Ceva J., Parkinson B., Bertiger W., Muellerschoen R., Yunck T. Incorporation of Orbital Dynamics to Improve Wide-Area Differential GPS. Proceedings of ION GPS-95. P. 647-659. The 8^th International Technical Meeting of The Satellite Division of The Institute of Navigation.] дозволяє виділити статичний, кінематичний і динамічний методи уточнення параметрів орбіт і зсуву шкал часу супутників. У найбільш простому статичному методі вирішується так зване навігаційне завдання, що вивернуло. Шляхом обробки вимірювань двочастотних навігаційних приймачів, здійснюваних одночасно з декількох наземних пунктів з відомими координатами, визначається миттєве місцеположення і зсув шкал часу супутників, що знаходяться в зоні видимості наземних пунктів. При цьому не враховується динамічна інформація, що полягає в жорсткій коррелированности просторового положення супутників в сусідні моменти часу. Алгоритм статичного методу уточнення параметрів орбіт і зсуву шкал часу супутників досить детально описаний в [5]. У кінематичному методі додатково оцінюються складові миттєвого вектора швидкості також без урахування динамічної інформації. У найбільш точному і досконалому динамічному методі оцінюється певний набір параметрів орбіти, зсуви шкал часу супутників і наземних пунктів, а також деяких додаткових параметрів, що породжують модельні значення вимірювань найкращим чином, що узгоджуються з результатами реальних вимірювань на тривалих інтервалах часу. Важливою гідністю динамічного методу є його здатність ефективно розділяти оцінки ефемерид і зсуви шкал часу, що збільшує цілісність системи. Як наголошується в [13], якщо інформація про рух супутника ігнорується, то роздільна оцінка ефемерид і зсуви шкал часу скрутна, і точна оцінка можлива тільки для суми обидві компонент.

Програмне забезпечення уточнення параметрів орбіт і зсуву шкал часу супутників в системі WAAS і диференціальній системі фірми Satloc використовує алгоритми з добре протестованого і такого, що забезпечує високу точність пакету прикладних програм GIPSY/OASIS II (GOA II) [11, 13]. Цей пакет використовує динамічний метод, має тривалу історію розвитку і широко використовується для високоточного визначення орбіт різних НО (зокрема, супутників GPS), а також в цілях високоточної супутникової геодезії. Розробником і власником пакету GOA II є Лабораторія реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory, JPL) Каліфорнійського технічного інституту (California Institute of Technology). Початковий пакет GOA II складається здебільшого з фортранних програм і UNIX-сценаріїв, що сильно утрудняє його використання в режимі реального часу і середовищі, відмінному від UNIX. Для подолання цих обмежень JPL на основі пакету GOA II розробило новий пакет Real-Time Gipsy (RTG). Цей пакет призначений для використання в системах широкодіапазонної диференціальної навігації і інших системах реального часу, наприклад, в проектах NASA за визначенням орбіт на борту НО і визначенню координат радіолокатора з синтезованою апертурою на літаку в реальному масштабі часу [11]. WAAS і диференціальна система фірми Satloc використовують для уточнення параметрів орбіт і зсуву шкал часу супутників ліцензований пакет RTG, JPL.

У пакеті прикладних програм GIPSY/OASIS II (GOA II) [13] оцінюються координати і складові вектора швидкості супутників на деякий вузловий момент, зсув шкал часу супутників і наземних пунктів, тропосферні спотворення і коефіцієнт сонячного тиску. Вказані параметри оцінюються по вимірюваннях на 30-годинних інтервалах [13]. В результаті точність визначення траєкторії зростає більш ніж в три рази, в порівнянні з точністю орбіт, параметри яких передаються в навігаційних повідомленнях супутників. Середньоквадратичні помилки по радіусу, упоперек і уздовж орбіти для вказаного вище випадку складають відповідно 0,65, 1,37 і 1,96 м [13].

Обробка вимірювань здійснюється шляхом фільтрації щодо опорної траєкторії, для побудови якої використовуються наступні моделі:

· гравітаційна модель JGM-3, що враховує 1212 гармонік гравітаційного поля Землі;

· вплив гравітаційних полів тільки Сонця і Місяці в завданні трьох тіл;

· гравітаційні спотворення форми Землі (Solid Earth tide) і океанські приливи;

· модель прямого сонячного тиску.

Для фільтрації використовується Square Root Information Filter (SRIF), що володіє підвищеною чисельною стійкістю, в порівнянні з non-square root implementations. У припущенні відсутності проблем обчислювальної стійкості SRIF еквівалентний Калмановському фільтру.

У літературі [5, 11] зустрічається опис двох методів обчислення докладних карт вертикальних іоносферних затримок. У основі першого методу [5], званого Nonlinear Static Estimation (NSE), лежить обчислення оцінок параметрів простій моделі вертикальних іоносферних затримок Клобучара, що забезпечують якнайкраще в квадратичному сенсі узгодження модельних даних з результатами вимірювань. Вимірювання витягуються з двочастотних вимірювань навігаційних приймачів, встановлених на станціях збору інформації. Ітераційний алгоритм таких обчислень приведений в [5]. Другий метод використовує модифіковану версію пакету програм Global Ionosphere Map (GIM), розробленого JPL [5, 12]. Пакет програм GIM містить програми на Фортрані і UNIX-сценарии. Для збільшення мобільності і зручності роботи в реальному масштабі часу JPL розробила на основі GIM новий пакет програм - Real Time Ionosphere (RTI), пропонований нею для ліцензійного використання. У GIM і RTI іоносфера представляється як оболонка над Землею в системі координат, фіксованій щодо Сонця. Іоносфера в такій системі не залежить від обертання Землі і, отже, не залежить від місцевого часу. Оболонка дискретизуєтся на трикутні елементи. Значення інтегральної електронної концентрації (ТЕС) у вершине кожного трикутника трактується як випадковий параметр і оцінюється за допомогою Калмановського фільтру. Початкові обмеження задаються моделлю Бента. Широкодіапазонна система диференціальної навігації фірми Satloc для обчислення карт вертикальних іоносферних затримок використовує ліцензований пакет RTI, JPL.

По своїй структурі глобальні системи диференціальної навігації (GDGPS) [6, 7]дуже схожі з широкодіапазонними системами (WADGPS). Вони так само використовують наземну мережу станцій збору інформації і той же метод формування диференціальних поправок (the state-space approach). Основна відмінність полягає в тому, що виключення іоносферних помилок в глобальних системах диференціальної навігації здійснюється шляхом використання двочастотних вимірювань. На думку авторів [7], перспективи введення цивільних кодів в діапазоні L2 як в GPS, так і в Глонасс зроблять двочастотні вимірювання загальнодоступними.

Виключення необхідності обчислювати докладні карти вертикальних іоносферних затримок дозволяє сильно понизити щільність станцій наземної мережі. На думку авторів [7], для цих цілей досить мати 12 добре розташованих по всьому світу станцій збору інформації. Для реальних експериментів автори [7] використовували 18 з порядка 60 станцій усесвітньої глобальної мережі GPS (Global GPS Network, GGN) належною NASA, які обладнані двочастотними навігаційними приймачами. У [6, 7] наголошується необхідність введення надмірних станцій і доведення їх кількості до 25-30. Введення надмірних станцій дозволяє збільшити точність і надійність диференціальної системи.

В даний час можна вказати на існування поки що єдиної в світі глобальної системи диференціальної навігації [6, 7], станції глобальної GPS мережі (GGN) NASA, що використовує як основу. Для оперативного уточнення орбіт навігаційних супутників в цій системі використовується той же пакет прикладних програм RTG (Real Time Gipsy), який використовується для уточнення орбіт в широкодіапазонних диференціальних системах фірми Satloc і WAAS. Для передачі вимірювань в центр обробки використовується глобальна мережа Internet.

Огляд диференціальних систем супутникової навігації дозволяє зробити вивід про те, що принципи побудови глобальних диференціальних систем найбільшою мірою відповідають особливостям і умовам, що існують в Росії. При величезній і дуже нерівномірно населеній території Росії розгортання щільної мережі наземних станцій збору інформації, необхідних для обчислення докладних карт вертикальних іоносферних затримок, буде дуже дорогим. У глобальних системах диференціальної навігації відповідальність за усунення іоносферних помилок покладається на споживача. Для цього потрібний, щоб користувачі такої системи були забезпечені двохдиапазонними навігаційними приймачами, що природно підвищить вартість апаратури споживача. Проте можна вважати, що при масовому виробництві такої апаратури вартість кожного її комплекту, в порівнянні з вартістю комплекту однодиапазонної апаратури, зросте трохи. З урахуванням введення в найближчому майбутньому цивільних модулюючих кодів в GPS і Глонасс, розповсюдження і застосування двочастотної апаратури споживача стане повсемісним.

1.4 Експериментальна частина

Експеримент перший. Дослідження точності сигналу NAVSTAR GPS в номінальному та диференціальному режимах роботи.

Дослідження проводилось в IV кварталі 2003 року курсантами Одеської Національної Морської Академії під керівництвом професора Алексішина В.Г., на борту жильникокладача «Baltic Spider» в районі Персидської затоки.

Результати цього досліду становлять значний інтерес для підтвердження доцільності використання супутникових навігаційних систем для забезпечення безпеки судноводіння в територіальних водах України.

Данні по судну представлені в табл. 3.

Таблиця 3. Технічні дані судна

Тип судна	жильникокладача
Рік побудови	1968, переоборудован в 1996
Клас	BV Deep Sea I 3/3 Е+
Рушії	2 х Voith Schneider GR30G 11/150 (882 kW) 2 x Heemaf NK 1343-8 electro motors
Експлуатаційна швидкість	9,2 вуз
Навігаційне обладнання
Радари	2 x JRC Raythenon (3+10 см)
	Nautronics ATS II
СР8(1ЮР8)	Furuno GP-37 DGPS
Система ДП	Simrad Albatros AP701
Клас ДП	IMCA CLASS I
Системи зв'язку	Inmarsat Satcom A&C
Пристосовано для проживання	33 чоловік
Танк для кабеля (статичний)	Діаметр зовнішній 15 м Діаметр внутрішній 4 м. Висота 3 м.
Палубні крани	8 т т.п.- 4 м стріла - л.б. 4 т г.п. -8м стріла - п.б.
Заглиблені системи	ROV SeaLion 25
Шахти для обладнання	1 х 850 мм (Nautronics) 2 х 380 мм для сюрвеєрського обладнання
Головні розміри	Довжина найбільша- 83,8 м. Ширина найбільша - 21,0 м. Макс. осадка - 4,8 м
Повний регістровий водообсяг	2701 брт.

Планування експерименту.

Суть експерименту полягала у вимірюванні розбіжностей в свідченнях ПІ СРНС «Навстар» різних виробників, що працюють в номінальному і диференціальному режимах.

В основі дослідження полягав аналіз даних отриманих в реальному часі з інтервалом в одну секунду від трьох незалежних друг від друга приємоіндикаторів, які працювали від трьох різних антен. При цьому судно не знаходилося в стаціонарній точці, а здійснювало плавання (дрейф). Список використовуваного обладнання і режими його роботи приведені в таблиці 4.

Таблиця 4. Список використовуваного обладнання

Назва	Тип	Виробник	Точність 95%	Режим роботи
90982 SkyFix Mk5	GPS+DiffCorrec tion Receiver	Thales	<2,0 m*	Диф. (multistation)/*** Номінальний
90982 SkyFix Mk5	DiffCorrection Receiver	Thales		Прийом дифкоррекції для DG-14
Ashtech DG-14	GPS Receiver	Ashtech	0,9 м/5,0 m	Диф. (singlestation)/ Номінальний
Furuno GP-37	DGPS receiver	Furuno	<5,0 m**	Диф. (singlestation)/*** Номінальний
Seapath 200	INS (Inertial Navigation System)	Seapath	0,075° RMS/ 0,03° Pitch/roll

* Точнісні параметри системи аналізуються в реальному часі системою контролю якості Multifix III і, як правило, вони менше заявлених величин.

** Аналіз точності приводиться далі. Параметри станцій показані в таблиці.

*** Характеристики станцій в табл. 5.

Система Skyfix Spot

Призначена для передачі даних дифкорекцій, зібраних мережею стежних станцій через мережу супутників зв'язку в діапазоні L-band. Для даного проекту використовувалася система зв'язку, побудована на основі 25° High Power Satellite для прийому даних від 4 станцій стеження в Персидській затоці, із заявленою точністю краще 2м (табл. 5). Контроль даних, що приймаються, здійснюється програмним забезпеченням Multifix. Використовується першим приємоіндикатором.

Таблиця 5. Базові станції системи SkyFix Spot в першій системі DGPS

Назва станції	Код	Широта	Довгота
Baku	410	40°22'50"	49°50'0Г'
Bahrain	420	26°12'11"	50°36'04"
Muscat	430	23°35'02"	58°15'03"
Abu Dhabi	400	24°22' 59"	54°31'11''

Наступна табл. 6 відображає параметри опорних станцій для другого приємоіндикатора з позначенням Gps1.

Таблиця 6. Опорна станція SkyFix Spot (для другого приємоіндикатора)

Назва станції	Код	Широта	Довгота
WGS 84 Datum
Bahrain	420	26°12'11"	50°36,04"

Рисунок 9. Карта покриття SkyFix Spot на Ближньому Сході

Розглянуте обладнання розташоване в кормовій частині навігаційного містка, як показано на рис. 10 і де видно екрані системі комплексу візуалізації WINFROG (справа), системи контролю місцевизначення Multifix (зліва). Під столом розташовані блоки пріймача SkyFix.

Рисунок 10. Розташування обладнання системи Multifix

Третьою приладовою складовою експерименту був приємоіндикатор Furunogp37, який працював в номінально режимі без диференціальної корекції із заявленою точністю 10 м ( у DGPS режимі -5 м з прийомом поправок від KB станції Abu Zaby (314 khz) розташованою в передмістях Abu Dhabi, United Arab Emirates.

Опис експерименту.

При відомому розташуванні антен в системі координат судна можна безперервно розраховувати місце антен приємоіндикаторів на будь-який момент часу відносно початку координат. Проаналізувавши інформацію про розбіжність отримуваних фактичних координатах антен і розрахованих можна отримати погрішності у визначенні координат із заданою 95% вірогідністю. Очевидно, що точність координат, що отримуються від системи позиціонування, що використовує чотири диференціальні поправки, буде найвищою в даному експерименті.

Параметри розміщення антен щодо діаметральної площини, міделя і основної площини судна приведені в табл. 7., а на рис. 11 представлений схема їх розміщення на судні.

Таблиця 7. - Розміщення антен ПІ СРНС

Наіменування	(-Л.Б./+П.Б.)	(-в корму/+ в нос)	Висота
Multifix (перша антена)	-0,11	-30,89	21,00
GPS 1 (друга антена)	1,56	-39,22	20,50
Furuno GP37 (третя антена)	-0,56	-34,51	14,00

Приймаючи першу систему за основне джерело інформації і враховуючи зміщення, перерахуємо координати антен щодо системи Multifix (знайдемо дистанції і тригонометричні функції пеленга використовуючи дані табл. 7). Отримані координати занесемо в табл. 8.

Таблиця 8. Відносні координати антен.

Наіменування	(-Л.Б./+П.Б.) Х, м	(-в корму + в нос) Y, м	Дистанція D, м	Х/D (Sin П)	Y/D (Соs П)
GPS1	+1,67	+0,67	1,799388	0,372349	0,928093
Furuno	-0,45	-3,62	3,647862	-0,992362	-0,123360

Застосувавши відомі тригонометричні формули, отримуємо зміщення в метрах щодо антени Multifix і розрахункові місця антен ПІ СРНС. Результати вимірювань представлені на графіках.

Рисунок 11. Розташування антен ПІ СРНС на борту судна

На рис. 12 можна побачити, що невелика похибка допущена у визначенні відносних координат другої системи щодо первинної, проте форма траєкторії ідентична формі траєкторії первинної системи, а третя система показує меншу точність (рис. 13).

Рисунок 12. Похибка визначення місця приємоіндикатором GPS1

Рисунок 13. Похибка визначення місця приємоіндикатором Furuno

На рис. 14 представлене графічне зображення траєкторій отриманих за допомогою першої, другої та третьої систем навігації та відповідні їм розраховані координати антен відносно первісної системи навігації.

Рисунок 14.

Проведемо аналіз похибок отримуваних координат виходячи з того, що помилка первинного джерела навігаційної інформації нам відома, оскільки вона обчислюється в реальному часі системою Multifix III.

На рис. 15 і рис. 16 приведені порівняння значення величини помилки по широті первинної системи (абсолютна величина) і відповідно вторинної і третинної системи. По осі ординат - величини в метрах. При цьому помилка координат системою Multifix III розраховується на основі точності визначення місця в 95%. Як видно на рис. 15 і рис. 16 присутня систематична помилка по північній складовій порядку одного метра, яка може бути викликана нерівномірністю огляду сузір'їв супутників з поточної позиції, затемненням сигналів використовуваних супутників, або віддзеркаленнями сигналу, що приймається.

Рисунок 15. Помилка в визначенні координат первинної системи (Multifix III) та помилка в визначенні координат антени вторинної системи (GPS1)

Рисунок 16. Помилка в визначенні координат первинної системи (Multifix III) та помилка в визначенні координат антени третинної системи (Furuno)

Висновок експерименту

В ході експерименту було встановлено, що супутникова система позиціювання NAVSTAR GPS забезпечує необхідну точність сигналу, яка повністю задовольняє вимоги встановлені резолюціею ІМО А529 (13) щодо стандартів точності визначення місця судна.

Диференціальна система Skyfix Spot (використовує 4 наземні корегуючи станції) контроль даних якої здійснюється програмним забезпеченням Multifix визначає місцеположення антени приймача з точністю до 10 см (див. рис. 15).

Диференціальна система Skyfix Spot використовуючи лише одну корегуючи станцію (Bahrain) забезпечує визначення місцеположення антени приймача з точністю до 1 м (див. рис. 15).

Прийомоіндикатор системи NAVSTAR GPS виготовлений фірмою Furuno, працюючи в номінальному режимі (без прийому корегуючи сигналів з наземних станцій) забезпечує визначення місцеположення антени приймача з точністю до 5 м (див. рис. 16).

В ході експерименту було показано, що точність супутникових систем повністю забезпечує вимоги до навігаційного забезпечення морських і річних суден.

Експеримент другий. Порівняння точності роботи системи NAVSTAR GPS в режимах DGPS, WAAS GPS.

Експеримент, який встановлює зв'язок між точністю координат системи супутникової навігації Navstar GPS в основному режимі, та режимах DGPS, WAAS GPS проведений к.м.н. Девідом Л. Вілсоном (США, Кентський Державний Університет, штат Огайо). [. http://users.erols.com/dlwilson/gps.htm ]

В ході досліджень був використаний приймач модель Garmin. Результати цього досліду зображують загальну тенденцію впливу корегуючих сигналів двох видів (DGPS, WAAS GPS) на точність визначення координат за допомогою супутникової системи навігації Navstar GPS.

Данні експерименту збирались в одній і тій самій точці 38° 01,3' N 082° 58,4' W, протягом 4-х днів.

Планування експерименту.

Суть експерименту полягала у вимірюванні розбіжностей в свідченнях ПІ СРНС «Навстар» моделі Garmin, що працював в номінальному, диференціальному (DGPS), та в режимі широкодіапазонної системи диференціальної навігації (WAAS GPS - Wide Area Augmentation System).

Кожна станція широкодіапазонної системи диференціальної навігації (Wide Area Reference Station - WRS) надає корегуючи інформацію на геостаціонарний супутник через наземну станцію. Геостаціонарній супутник транслює корегуючий сигнал споживачеві на навігаційній частоті L1 GPS (1575.42 MHz). Навігаційний пристрій використовує отриманий сигнал для корекції отриманої навігаційної інформації.

Під час досліду прилад Garmin використовував корегуючий сигнал з супутника INMARSAT 3F4 відомого як, AOR-W (Atlantic Ocean Region - West).

Для аналізу точності корегуючого сигналу в режимі DGPS, прилад Garmin приймав данні з радіомаяка USCG (United States Coast Guard) розташованого в місті Дрівер, штат Вірджиніа, на відстані 169 км.

Опис експерименту.

Під час проведення експерименту погода була стабільною, небуло грози (наявність грози може затруднити прийом корегуючого сигналу від станції ). Данні нерперивно фіксувалися протягом 4-х днів, частота обновлення данних - 2 секунди.

На рис. 17. зображені порівняльні дані точності прийнятого сигналу з активованою системою корекції WAAS, та без неї. Представлені дві складові сигналу - вертикальна та горизонтальна. Середнє число супутників у полі зору пристрою під час серії вимірювань з WAAS було 8,43, середній показник HDOP (характеризує геометрію розташування супутників) був 1,09. Для серії вимірювань без WAAS середня кількість супутників дорівнювала 7,44, а середній показник HDOP - 1,31.

Рисунок 17. Порівняння точності з та без корегуючого сигналу WAAS

На осі Y відображається ймовірність того, що похибка буде менше значення дистанції на осі Х. Основні показники цього експерименту відображені в табл. 9.

Таблиця 9

	Горизонтальна	Вертикальна
Точність	WAAS	Без WAAS	WAAS	Без WAAS
50%	1,4	2,4	2,2	3,0
95%	3,2	5,3	6,0	8,9
100%	8,0	15,5	15,7	19,0

На рис. 18 зображені порівняльні данні точності прийнятого сигналу з WAAS, та з DGPS. Також представлені дві складові сигналу - вертикальна та горизонтальна.

Рисунок 18. Порівняння точності сигналу з корекцією WAAS та DGPS

Основні порівняльні данні цього експерименту відображені в табл. 10.

Таблиця 10.

	Горизонтальна	Вертикальна
Точність	WAAS	DGPS	WAAS	DGPS
50%	1,4	1,4	2,2	1,7
95%	3,2	3,2	6,0	5,9
100%	8,0	8,0	15,7	15,6

Висновок експерименту

На точність визначення положення за допомогою систем супутникової навігації впливає багато чинників, а саме: параметри пристрою, місце встановлення антени, параметри іоносфери та геометрия розташування супутників.

Даний експеримент зображує точність корегуючих сигналів WAAS та DGPS на прикладі ПІ СРНС «Навстар» моделі Garmin. В ході експерименту було встановлено, що обидва корегуючи сигнали однаково добре покращують точність визначення положення.

Отриманні данні є частковими, але зображують загальну тенденцію точності корегуючих сигналів двох систем. Якщо абстрагуватися від чисел отриманних для певного пристрою, то можна зробити висновки характерні для усієї системи взагалі.

Головним висновком данного експерименту є те, що обидві системи корекції сигналу позиціювання WAAS та DGPS забезпечують однакову точність горизонтальної та вертикальної складової сигналу і доцільність використання визначаеться економічною складовою питання.

Експеримент третій. Аналіз точності визначення координат місця судна системою NAVSTAR GPS в Чорному морі.

Враховуючи, що ГНСС NAVSTAR GPS створювалася МО США для військових цілей, в системі був реалізований «вибірковий доступ» (SA), який дозволяє штучно загрубіти точність визначення координат цивільних об'єктів до 100 м.

Окрім вказаного чинника на точність визначення координат судновими GPS-приемниками впливають:

- помилки за рахунок іоносферної (3-20 м) і тропосферної (1-3 м) рефракції розповсюдження сигналу;

- ефемеридна помилка (3 м);

- помилка бортової шкали часу навігаційного супутника. В результаті впливу цих помилок точність визначення місця судна за допомогою ГНСС GPS складає 30-40 м.

У резолюції ІМО А.953(23) щодо Всесвітньої радіонавігаційної системи, яка була прийнята в 2003 році, вказано, що на підходах до портів і портових вод, а також в узкості, де обмежена свобода маневрування суден, точність плавання повинна бути не гірше 10 м.

Для забезпечення виконання вимог цієї Резолюції виникла необхідність в освоєнні нових методів використанні ГНСС, а саме диференціального режиму із застосуванням берегових контрольно-корегуючих станцій (ККС).

Для забезпечення безпечного мореплавання в своїй прибережній зоні Україна зобов'язалася розвернути мережу ККС на своєму побережжі (переобладнавши під ККС радіомаяки Зміїний, Одеський, Тарханкутський, Херсонесський, Айтодорський і Енікальський).

У зв'язку з тим, що МО США відключило режим виборчого доступу (8а) з 01.05.2000 р. дія якого вносила найбільшу похибку у визначення місця судна (див. рис. 19), Держгідрографією в період 2007 року проведені дослідження з метою визначення фактичної точності визначення координат судновими приймачами сигналів ГНСС GPS (СН-3101Е, Trimble DSM 232) в режимах GPS і DGPS.

Рисунок 19. Похибки в навігації до і після відключення режиму селективного доступу. [. http://www.gps.ru

Размещено на Allbest.ru]

Результати експерименту

1. При вимірюванні координат приймачами СН-3101 і СН-3920 (т/х «А Лисенко») по сигналах Одеської ККС в районі м. Миколаєва:

- у режимі GPS середньоквадратична похибка (СКП) склала 9,6 м, при цьому спостерігалося його максимальне разове значення 15 м.;

- у режимі DGPS СЬКП - 0,3 м, а максимальне -2 м.

2. При вимірюванні координат приймачами СН-3101 і СН-3920 по сигналам Керченської ККС в районі м. Керчі:

- у режимі GPS СКП складає 2,2 м, максимальне відхилення 4,5 м.;

- у режимі DGPS СКП - 0,3 м, а максимальне - 2,1 м.

3. При вимірюванні координат приймачами СН-3101 і СН-3920 по

сигналам Одеської ККС в районі м. Одеса:

- у режимі GPS СКП складає 1,0-2,0 м:

- у режимі DGPS СКП - 0,5-1,0 м.;

4. При вимірюванні координат приймачами Trimble DSM 232 по сигналам ККС Одеською, Керченською, о. Зміїний в районі Севастополя:

- у режимі GPS СКП складає 2,52 м:

- у режимі DGPS СКП - 1,74 м.

На відстані більше 200 км. прийом сигналів ККС не покращує точність визначення координат GPS приймачів.

Висновок експерименту

Отримані результати дозволяють зробити висновок, що після виключення МО США виборчого доступу ГНСС точність визначення координат приймачами значно покращала і забезпечує виконання вимог Резолюції ІМО А.953(23) по точності плавання на підходах до портів і портових вод, а також у вузькості, де обмежена свобода маневрування суден, не гірше 10 м. Тобто, якщо не потрібне виконання спеціальних завдань з точністю 1-3 метри, необхідності в повсякденній роботі ККС не існує.

Загальні висновки

супутникова навігація аварійність обсервація сигнал

В даний час ПІ СРНС Navstar є найбільш широко використовуваним інструментом для навігаційних визначень місця судна, проте якість інформації, що видається, сильно залежить від параметрів самого обладнання, так і від параметрів установки антен. Чималу роль в якості роботи ПІ грають і зовнішні чинники (затемнення сигналів судновими конструкціями, параметри іоносфери та геометрія розташування супутників).

У роботі було показано, що точність супутникових систем повністю забезпечує вимоги до навігаційного забезпечення морських і річних суден.

При цьому перспективним напрямом роботи є створення сервісу точного позиціонування для торгових суден, що слідують в обмежених водах, місцях скупчення суден і в інших умовах, де великий вплив людського чинника на прийняття рішень, пов'язаних із забезпеченням безпеки мореплавання. Таким чином відкриваються нові можливості для створення систем допомоги ухвалення рішень - як самостійних, так і вбудованих у вже існуючі системи електронних карт, динамічного позиціонування, які повинні стати ще одним способом самоконтролю штурманського складу враховуючи сучасні тенденції розвитку торгового флоту. При розширенні сфери застосування систем точного позиціонування, зменшується собівартість послуги, що так само є важливим чинником, що впливає на економічну ефективність експлуатації суден.

ГЛОСАРІЙ

ШСЗ - штучний супутник Землі

КА - космічний апарат

НКА - навігаційний космічний апарат

НКУ - наземний комплекс управління

PRN - псевдошумовий код широкосмугових сигналів

GPS - Глобальна Система Позиціонування (Global Positioning System)

Navstar - навігаційна система визначення часу і дальності (Navigation system with timing and ranging)

Глонасс - Глобальна Навігаційна Супутникова Система

GNSS - Global Navigational Satellite System

Р-code - точний код (Precision code)

С/А-code - грубий код (Coarse Acquisition code)

IRNSS - Індійська Супутникова Регіональна Система Навігації

QZSS - Японська Quasi-Zenith супутникова система

SA - виборчий доступ (Selective Availability)

WADGPS - широкодіапазонні системи диференціальної навігації (Wide Area Differential GPS)

GDGPS - глобальні системи диференціальної навігації (Global Differential GPS)

СЗІ - станція збору інформації

КА - космічний апарат

WAAS - Wide Area Augmentation System

GOA II - пакет прикладних програм GIPSY/OASIS II

JPL - Лабораторія реактивного руху (Jet Propulsion Laboratory)

RTG - Real-Time Gipsy

SRIF - Square Root Information Filter

NSE - Nonlinear Static Estimation

GIM - Global Ionosphere Map

GGN - усесвітня глобальна мережа GPS (Global GPS Network)

WRS - Wide Area Reference Station, станція широкодіапазонної системи диференціальної навігації.

Література

...