Бортовые межчастотные отклонения

Перевод статьи опубликованной в GPS World, Сентябрь 1999
Advanstar Communications, 859 Willamette Street, Eugene, OR 97401, USA
Phone: + (541) 343-1200
Fax: + (541) 984-5333
E-mail:

Перевод выполнен "Навгеоком" L 2000

Брайн Д. Вилсон (Brian D. Wilson, Jet Propulsion Laboratory)
Колин Х. Ингер и Уильям А. Фис (Colleen H. Yinger и William A. Feess, Aerospace Corporation)
Капитан Крис Шанк (Chris Shank, U.S. Air Force)

• Бортовые межчастотные отклонения. Использование межчастотных отклонений. История усовершенствования.
• Бортовые межчастотные отклонения. Новые значения. Сравнение значений.
• Бортовые межчастотные отклонения. Утверждение новых значений. Дополнительные преимущества. Дальнейшее развитие. Заключение.

Для определения местоположения при GPS наблюдениях необходимо учитывать поправки, вносимые некоторыми источниками ошибок, такими как, задержка распространения сигнала в атмосфере, релятивистские эффекты при распространении сигнала, рассогласование часов спутника и времени GPS. Каждое спутниковое навигационное сообщение содержит параметры сдвига часов. ПриTмник GPS использует эти значения для каждого наблюдения, при вычислении поправки часов. Двухчастотный приTмник производит эти коррекции автоматически, в то время как одночастотный учитывает групповую дифференциальную задержку между частотами L1 и L2 при постобработке. Эта задержка, известная как TGD, возникает из-за различий в бортовой аппаратуре спутника (при передаче на двух частотах) и зависит от типа космического аппарата.

Сигналы от спутников GPS содержат частотные отклонения по L1 и L2 в навигационных сообщениях. Точность передаваемых значений TGD непосредственно влияет на определение местоположения одночастотными GPS приTмниками. Персонал ионосферного научного комитета из NASA (JRL) и других организаций отслеживал частотный сдвиг с 1993 года и в тоже время делал выборки абсолютных значений ионосферной задержки из данных двухчастотных GPS определений. Значения TGD, полученные различными группами в комитете, практически совпадали, однако существовало различие между полученными и передаваемыми значениями TGD, которые были основаны на результатах заводского эталонирования, выполненного перед запуском спутника.

При рассмотрении этих выборок, возникает два вопроса: Обеспечивают ли значения TGD улучшение точности навигации на одной частоте? А если да, кто из пользователей нуждается в улучшении точности, и до какой степени? Как всегда в области GPS, ответ зависит от типа используемой аппаратуры и уровня необходимой точности определения координат.

Коротко можно ответить так, что на данный момент погрешность позиционирования небольшая, но значительная для авторизированных (военных) пользователей одночастотных GPS приTмников, результаты которых не подвержены ошибке избирательного доступа (SA). В настоящее время, широко применяются высокоточные определения, и как следствие, потребность в высоком уровне точности будет возрастать и в будущем. Поэтому, устранение погрешностей наблюдений, таких как TGD, имеет важное значение.

Предугадывая эту тенденцию, члены комитета ВВС США, JPL и других организаций приступили в августе 1998 к определению новых значений TGD. После проверки данных GPS, Joint Program Office (JPO) одобрило уточненные значения TGD. Эти значения TGD, основанные на расчетах JPL, были переданы на спутники в апреле 1999 года. Обновление будет производиться ежеквартально или по мере необходимости.

УточнTнные значения TGDне используются при вычислении координат из двухчастотных наблюдений. Однако новые значения влияют на результаты двухчастотных измерений при определении параметров ионосферы. УчTт влияния погрешностей ионосферы может быть использован при наблюдениях за космическими объектами или для калибровки и устранения ионосферных поправок, при применении традиционных методов дистанционного зондирования.

Новые значения не влияют на точность, при использовании одночастотных гражданских приTмников, так как ошибка их позиционирования в основном вызвана SA погрешностью (приблизительно 50 м), которая перекрывает влияние погрешности значений TGD. При работе с военными одночастотными GPS приTмниками, например, Precision Lightweight GPS, а так же с военными двухчастотными приTмниками в одночастотном режиме, несмотря на влияние остаточной ионосферной ошибки, может наблюдаться 20-30% повышение точности определения высоты.

Использование уточнTнных значений TGD для гражданских пользователей одночастотных приTмников будет важно, после отключения режима избирательного доступа SA (в 2006 году, согласно Директиве президента США).

Влияние задержки TGD не сказывается при использовании DGPS наблюдений, так как дифференциальные поправки (локальные и глобальные) компенсируют эти ошибки, но есть существенное исключение из правила. Международные DGPS системы, такие как WAAS (система широкозоной дифференциальной навигации), не смогут оптимально обслуживать пользователей как одночастотных, так и двухчастотных систем, до тех пор, пока передаваемые значения TGD не будут точны. Для пользователей одночастотных систем, быстрые WAAS поправки (один раз в секунду) могут быть настроены для компенсации разницы между передаваемым и оптимальным значением TGD. Оптимизация поправки не достаточна для пользователей двухчастотных приTмников, однако, это позволяет устранять влияние ошибки SA на поправки WAAS.

В следующем разделе, даTтся определение задержки TGD, показывается еT влияние при вычисление координат, рассказывается о методах уточнения передаваемых значений TGD и о том, каким образом JPL определяет частотные отклонения. Также приводятся некоторые проверенные результаты и описываются преимущества при использовании новых значений.

Использование межчастотных отклонений

GPS Interface Control Document ICD-GPS-200 определяет параметр TGD как среднее значение спутниковой дифференциальной групповой задержки в наносекундах (значение полученное изготовителем бортовой аппаратуры во время проведения заводских тестов) умноженное на масштабный коэффициент. Это значение важно для пользователей одной частоты (L1 или L2), при необходимости установки значения поправки часов до начала работ.

Значение TGD равно.

TGD= (tL1- tL2) / (1-g)

Где tL1 и tL2 v это время GPS, в течение которого сигналы L1 и L2 передаются от спутника к приTмнику, а g равно отношению частоты L1 (1575.42 Мгц) к частоте L2 (1227.6 Мгц), возведенному в квадрат или 1.64694

g=(fL1/fL2)^2=1.64694

и соответственно 1/(1-g)= -1.54573

Для L1 поправка часов спутника (кодово-фазовый сдвиг) tsv вычисляется из выражения

(tsv)L1=(tsv)L1-TGD

Где значение TGD выбирается из подкадра 1 в передаваемом навигационном сообщении. Для L2 в вышеуказанном выражении необходимо умножить значение TGD на g.

История усовершенствования

NASA JPL в интересах NASA Deep Space Network и WAAS Федерального управления авиации разработало алгоритм ионосферной коррекции, способный определять значения TGD для точного описания ионосферы. На протяжении многих лет JPL наблюдало приращение между расчTтными и передаваемыми значениями TGD, лежащих в интервале от 1 до 17 наносекунд в зависимости от типа космического аппарата, при этом не было полной ясности, что же является источником ошибок. JPL предложило JPO обновить бортовые значения, используя расчеты JPL. Ошибки задержки TGD некоторых спутников достаточно сильно влияли на точность позиционирования. Эти предложения были выдвинуты на форуме, проводимом совместно с Performance Analysis Working Group (PAWG) в августе 1998 года.

Множество пользователей GPS из гражданских, военных и научных кругов боролись за повышение уровня точности системы NAVSTAR. На ежегодном собрании PAWG, операторы и аналитики GPS, Air Force Space Command (AFSPS) и операторы Second Space Operation Squadron (2SOPS), обсудили методы проведения GPS наблюдений и перспективы краткосрочного и долгосрочного развития системы. Эти презентации и обсуждения касались спутников, наземных станций, преобразования системы управления, включая усовершенствование сети станций мониторинга и передачи навигационных данных.

После обсуждения причин несоответствия передаваемых и расчTтных значений TGD, члены PAWG организовали неформальную встречу и согласовали дальнейшие действия в этом направлении. Aerospace Corporation провела независимый тест TGD оценок, полученных JPL. Эти тесты проводились с августа по ноябрь 1998 года. В марте 1999 года JPL согласилась определить и передать уточненные значения TGD под поручительство NRO; 2SOPS согласился занести эти значения в спутниковые базы данных и загрузить их постепенно на каждый спутник GPS. JPO, Aerospace Corporation и JPL согласились проанализировать влияние новых значений на улучшение точности привязки по времени для подтверждения ожидаемых результатов.

В апреле 1999 года первый комплект новых значений TGD был получен и передан на спутники. При запуске новых спутников и смене общей конфигурации созвездия, JPL будет рассчитывать новые значения TGD, и после утверждения этих значений членами PAWG, 2 SOPS загрузит их на спутники.