Рабочие характеристики Galileo. Взаимодействие с GPS и их различия в условиях городской застройки

Авторы: Matt O'Donnell, Trevor Watson, James Fisher, Steve Simpson, Gary Brodin, Ed Bryant, David Walsh

В последнее время система NAVSTAR все больше интегрируется во множество потребительских функций для обеспечения пользователей бесплатной информацией о местоположении. Поэтому, для разработчиков системы спутникового позиционирования Galileo важно было предложить своим пользователям ясно видимые преимущества, чтобы сделать себя ценным для производителей и поставщиков дополнительных услуг, позволяя включать сервис Galileo в их продукцию или услуги, как это сейчас происходит с NAVSTAR.

Очевидно, что размещение дополнительных спутников на орбите увеличивает их количество, доступное для приемников пользователей. Это улучшает как точность, так и эффективность системы. Однако, дело не столько в выгоде предоставления дополнительных услуг системой Galileo, сколько в новшествах в структуре самого сигнала и способах его обработки, появившихся после начала действия системы NAVSTAR.

На массовом рынке услуг, Galileo должна предложить устройства с лучшими характеристиками при работе в условиях переотражения сигнала, и непрерывному использованию вопреки наличию преград, сводящихся к расширению функционирования в условиях городских каньонов и в помещении для то чтобы показать улучшение . В этой статье мы рассмотрим, в частности, три вопроса:

• эффект от увеличения числа спутников в зоне видимости;
• моделирование сигнала и характеристики системы;
• возможные последствия проникновения на рынок.

Сначала мы сфокусируем наше внимание на первых двух темах и соответствующем инженерном анализе. Во-первых, мы рассмотрим совокупность всех проблем моделирования и их анализ, предпринятый для дополнительной оптимизации характеристик взаимодействия сетей Galileo и NAVSTAR, принимая во внимание “суперсозвездие” спутников Galileo и NAVSTAR, для работы в условиях городов Европы, с целью минимизации затрат на реализацию решений для массового рынка.

Затем мы рассмотрим конструкцию и применение модели распространения радиоволн в городских условиях, используя данные для типичной городской застройки совместно с теорией вычисления электромагнитной дифракции, а также данные реальных измерений с использованием патентованного оборудования (на основе направленных звуковых волн), с целью исследования свойств переотражения от нескольких типичных источников внутри помещений.

Мы пользовались результатами моделирования и измерений в заданных пределах для сравнения активности сигналов, чтобы проверить характеристики захвата и слежения приемников NAVSTAR и Galileo в условиях многочисленных переотражений, характерных для городских каньонов и окружающей обстановки внутри помещений. Помимо этого, был проведен дополнительный анализ для прогнозирования вероятных значений точности и доступности сигналов при различных сценариях расположения группировки используемых спутников систем NAVSTAR и Galileo.

Мы продвинулись в своем анализе дальше, чтобы оценить вероятность того, что при имеющемся влиянии окружающей обстановки города и помещений система Galileo покажет большую “юзабилити” и соответствие требованиям рынка и как это может повлиять на сотрудничестве частных и государственных структур с Galileo.

Анализ видимости спутников

Рис. 2. Возможная область приема радиоволн в городском каньоне (обозначена желтым цветом).

Для удачного проникновения Galileo на широкий рынок одним из качеств системы должна быть его возможность взаимодействие с NAVSTAR, и наоборот. Приемник должен быть способен работать с любым спутником из любой спутниковой группировки, что должно способствовать достоверному решению задачи позиционирования. Это сводит к минимуму “проблему городского каньона” (отсутствие видимости спутников в области застройки зданиями различной высотности приводит к сбоям в решении задач или решение имеет очень низкую точность).

Однако совместимость двух систем – только один из принципов разработки структуры группировки Galileo – в частности, есть требование к системе Galileo - возможность предоставления определенных услуг (например, для авиации), независимо от NAVSTAR. Это лишний раз подтверждает необходимость быстрейшего запуска всех 27 оперативных спутников группировки. Рынок услуг массового сервиса, однако, не заинтересован в политике независимости и мы вынуждены учитывать тот факт, что NAVSTAR уже существует и будет формировать отправные точки при построении последующих спутниковых систем навигации. Поэтому мы отслеживаем характеристики текущей группировки NAVSTAR из 28 спутников и исследуя результаты ее модернизации, делаем все для введения в строй группировки спутников Galileo. В интервью и на семинарах, в разговорах с пользователями и провайдерами услуг массового рынка мы увидели повышенный интерес в достижении наилучшей плановой точности. Высотная же точность пользователей рынка мало интересовала, и они не высказывали желания нести из-за этого дополнительные расходы.

Мы работаем с обеими составляющими точности и, к тому же, рассматриваем эффективность в единицах количества времени, необходимого для достижения требуемой точности. Анализ проводился с использованием набора смоделированных спутниковых орбит с сеткой тестовых измерений, равномерно распределенной с интервалом приблизительно в 3 градуса над Европой.

Горизонтальный фактор снижения точности HDOP является функцией от величины и формы созвездия спутников и параметров их орбит, следовательно, увеличение количества спутников в поле зрения улучшает возможности в выборе оптимальной группировки и приводит к уменьшению HDOP (или увеличивает доступность заданного HDOP). Если поле зрения пользователя в небе ограничено, например, высотными зданиями центра города, группировка больших размеров улучшает минимально достижимое значение HDOP для данных ограничений по высоте (углу маскирования).

При анализе эффективности использования систем NAVSTAR и Galileo в городских условиях использовались три угла маскирования для определения HDOP и точности. “Моментальные снимки” были сделаны для разных азимутов азимута и углов возвышения при различных местоположениях приемников с использованием в качестве базовой электромагнитной модели для Piccadilly Circus, Лондон. Это было сделано для определения ограничений поля зрения для различных точек тестовой сетки.

Рассмотрено три случая:

• в середине широкого перекрестка (средний угол маскирования приблизительно равен 22 градусам)
• на улице, открытой с одной стороны, со зданиями высотой от 4 до 7 этажей (средний угол маскирования приблизительно равен 40 градусам)
• в окружении семиэтажных зданий (средний угол маскирования приблизительно равен 45 градусам)

Эти три случая взяты для описания пригородов, малоэтажной и многоэтажной застройки, соответственно. Первым приближением зоны с редкой застройкой зданий является жилой район.

Рис. 3 и 4 показывают доступность (собственно говоря, процентную величину вероятности появления HDOP ниже определенного уровня) для NAVSTAR, Galileo и NAVSTAR плюс Galileo при увеличении количества спутников на 6 единиц, в условиях пригорода и малоэтажной застройки. Сама по себе система Galileo имеет характеристики лучше, чем система NAVSTAR (благодаря большему наклону орбиты), но заслуживает особого интереса функционирование супергруппировки спутников: NAVSTAR + 6 Galileo улучшают низкие значения HDOP почти на 15%, с возможностью дальнейшего улучшения при увеличении числа спутников в группировке.

Рисунок 3. Горизонтальное разрешение HDOP: NAVSTAR+n Galileo. Пригород.	Рисунок 4. Горизонтальное разрешение HDOP: NAVSTAR+n Galileo. Низкая застройка.

На рис. 4 и 5 приведены случаи многоэтажной застройки, но при ориентации улиц, развернутой на 90 градусов в разных сеансах измерений. Как правило, спутники с Севера видны только при больших углах возвышения, в то же время спутники с Востока и Запада видны в широком диапазоне углов. Когда улицы расположены с Востока на Запад, спутник с малой высотой над горизонтом становится видимым и значение HDOP улучшается. Эффект вращения вносит изменение на 5-10% для низкого HDOP, и на 10-15% для высокого HDOP.

Рисунок 5. Горизонтальное разрешение HDOP:NAVSTAR+n Galileo, направление Восток-Запад. Высотная застройка.	Рисунок 6. Горизонтальное разрешение HDOP: NAVSTAR+n Galileo, высотная застройка, направление Север-Юг. Низкая застройка.

Вычисленные значения HDOP комбинируется со значением UERE полученными из эквивалентных значений кодовых последовательностей NAVSTAR C/A и будут уточнены в будущем с использованием улучшенных характеристик системы Galileo и модернизированной системы NAVSTAR. Это упрощает все вычисления, так как рассматривается множество параметров: число спутников, пользовательский угол маскирования, интервал времени, требуемый для развертывания, статус модернизации и т.д.

Табл. 1 показывает результаты прогнозируемой доступности 20-метровой горизонтальной точности (с достоверностью 95%) в зависимости от числа спутников системы Galileo, увеличивающегося от 0 (т.е. только спутники NAVSTAR, как сейчас) до 27 (спутники NAVSTAR плюс все спутники Galileo).

Сценарий	28 NAVSTAR +0 Galileo	28 NAVSTAR +6 Galileo	28 NAVSTAR +12 Galileo	28 NAVSTAR +18 Galileo	28 NAVSTAR +24 Galileo	28 NAVSTAR +27 Galileo
Пригород	~90%	~95%	~100%	~100%	~100%	~100%
Малоэтажная Застройка	~70%	~80%	~90%	~95%	~100%	~100%
Высотная Застройка Восток-Запад	~30%	~50%	~60%	~75%	~85%	~90%
Высотная Застройка Север-Юг	~15%	~30%	~50%	~65%	~75%	~80%

Таблица 1. Доступность горизонтальной точности в 20 метров (с вероятностью 95%) как функция от увеличения числа спутников Galileo.

 

Анализ показывает, что система NAVSTAR сама не в состоянии предложить достаточный доступ по точности для решения большинства задач в густо заселенной зоне. Galileo сразу же даст выгоду многим пользователям, ограниченным в настоящее время коммерчески допустимыми уровнями стоимости, не нуждаясь в запуске сразу всей группировки из 27 спутников (плюс три запасных). Наличие 12 спутников достаточно для хорошего перекрытия большинства европейских городов вне кварталов с высотной застройкой, а при 18 или 24 спутников достигается покрытие центральной части городов. Первичная оценка статистики относительной видимости спутников в различных городских условиях, лежащей в основе всего анализа, приведена в табл. 1.

При оценке использовалась величина ошибок дальности UERE, соответствующая нормальному белому Гауссовскому шуму, при этом эффект переотражений не принимался в расчет.

Характер местности

Мы произвели моделирование городских источников переизлучения с помощью инструментария электромагнитного моделирования и программного обеспечения для трёхмерной математической модели города.

Городская окружающая среда может быть воссоздана на основе спутниковых или аэрофото изображений с использованием моделей различных типов зданий и реальных свойств диэлектрических материалов. Инструментарий моделирования создаёт полную электромагнитную имитацию трёхмерной модели города и вычисляет полную векторную картину электромагнитного поля, фиксируемого приёмником. Эти данные впоследствии могут быть использованы для вычисления профиля затухания мощности PDP в канале спутник – приёмник, при наличии многолучёвости. Также возможен анализ доплеровского смещения частот и обработка полученных данных для различных типов приемных антенн.

Моделирование источников переотражения в городе

Рис. 7. Примеры профилей затухания мощности (PDP) при использовании антенны с круговой поляризацией.

Мы создали трёхмерную компьютерную (CAD) модель, отображающую центральный район Лондона и с её помощью рассчитали и смоделировали более 1500 профилей затухания мощности для различных положений спутников, мест размещения приёмников и их частей. На рис 6 показан вид именно такой трёхмерной модели города. В этом примере здания на каждой стороне каньона построены из стекла и бетонных блоков. Эти блоки включают в себя определённое количество плоских структур (таких, как карнизы окон, ниши окон и дверей), которые в обязательном порядке должны быть учтены в модели, потому что являются заметной причиной увеличения переотражений в среде города. Приёмник может располагаться только на малом участке вдоль тротуара и только на одной стороне каньона (показан жёлтым цветом).

В этом примере мы представляем электромагнитную модель с углом возвышения спутника над горизонтом в 25 градусов, дискретизацией места расположения приемника через каждые 0.095 метра (половина длины волны для диапазона L1). В каждом узле сетки вычислялся PDP, что дало “каскадную” диаграмму, показанную на рис 7. Диаграмма построенная по вычисленным PDP демонстрирует, что приёмник находится в суровых условиях многолучевости . Прямой сигнал быстро затухает при движении приёмника вдоль оси каньона, при этом имеют место множество переотраженных сигналов с временем задержки до 400 наносекунд.

Более того, диаграмма PDP линейно поляризованной антенны выглядит хуже такой же диаграммы для антенны с круговой поляризацией. В среднем, переключение с приёмной антенны с круговой поляризацией на приёмную антенну с линейной поляризацией даст в результате увеличение значения затухания в среднем на 35%. Среднеквадратичное значение задержки распространения увеличивается на 21%.

Это очень важно, т.к. производители небольших, распространенных на рынке приемников GNSS будут нуждаться в простых, дешёвых антенных решениях. Размер и ограничения по габаритам могут также потребовать, чтобы антенна была универсальной, допускающей работу на других частотах (например, GSM). Как результат, весьма желательно, чтобы антенна была линейно поляризованной. Ухудшение качества сигнала при использовании линейно поляризованной антенны выдвигают на первый план необходимость создания улучшенных приёмников и антенн для GNSS, чтобы в полной мере использовать весь потенциал рынка.

Моделирование источников переотражения внутри помещений

Мы моделировали источники переотражения на пути прохождения сигнала спутник – помещение, комбинируя детерминированное и статистическое моделирование. Инструментарий моделирования вычисляет многолучёвость окружения между спутником и точками входа в здания (например, окнами). За ними сигнал уменьшается и используется метод статистического моделирования внутри помещений. Он предназначен для представления обобщенной среды внутри помещений, хотя внутренняя структура зданий не такая простая, чтобы моделировать можно было легко и эффективно.

Измерение источников переотражения внутри помещений

100 MHz канал эхолота, созданной в Университете г. Лидса, был модернизирован для оказания воздействия на сигналы GPS на частоте L1 с целью проведения измерений. Необходимо было провести измерения в трёх различных условиях естественного окружения: баре и ресторане, пешеходной аллее около ресторана и в офисе ресторана, на закрытой стоянке автомобилей. При измерениях имитировалось плоское излучение передатчиков группировки спутников Galileo с минимизацией эффекта точечного отражения. Эксперимент выполнялся с помощью широкополосной, высоконаправленной передающей антенны с круговой поляризацией (двухфазовый осевой режим спиральной антенны), с источником, расположенным на максимально большем удалении.

Рис. 8. Профили затухания мощности для ресторана.

Мы определили каждое место измерения путём выбора испытательных точек на расстоянии 2 метров друг от друга, на каждой точке проводилось по 4 измерения на расстояниях 1/4 по осям X,Y и Z от опорных точек. Это позволило выдвинуть на первый план эффекты усиливающей и ослабляющей интерференции (быстрое затухание сигнала) и из этого составить полную картину среды переотражений для каждого местоположения. Рис. 8 показывает результаты измерения PDP вдоль участка в зоне ресторана. Он выделяет потенциально высокий уровень затухания сигнала диапазона L1 в бетонно–стекляной структуре.

Полученные данные показывают, что амплитуды сигналов с нулевой задержкой сначала увеличиваются, а затем уменьшаются вслед за изменением линии уровня полной видимости, которая сначала увеличивается, потом теряется. Для профилей с отсутствием полной видимости (non-LOS) увеличение относительной амплитуды сигналов переотражений является очевидным, т.к. это соответствует сигналам, приходящим со стороны с меньшим затуханием, а не прямым сигналам. Эта проблема закономерна для non-LOS сигналов в помещениях.

Общие характеристики

Гражданский институт спутниковой навигации и авиационной безопасности Великобритании и Университет г. Лидса совместно разработали высокоэффективный имитатор сигнал/канал/приёмник на основе высококачественного программного обеспечения. Этот имитатор может создавать широкий спектр входных сигналов с возможностью их модификации в соответствии с характеристиками используемого канала. Все функции аппаратных средств приёмника, таких, как коррелятор, смеситель с селекцией отображения, система автоматической регулировки усиления АРУ, эмулируются в целях определения различных вариантов реализации этих устройств. Приёмный узел имитатора производит всю необходимую обработку сигнала от захвата до стабильного сопровождения. Первичные выходы имитатора имеют полный комплект измерителей кодовых последовательностей и фазовых характеристик несущих, общих характеристик коррелятора, отношения сигнал - шум (CNR), состояния и параметров сопровождения, всё в течении периода дискретизации (1 мсек). Имитатор производит оценку двух ключевых характеристик приемника: характеристику захвата и эффективность сопровождения.

Сравнение сигналов BOC и BPSK (двухпозиционная фазовая манипуляция)

Чем больше мы уделяли внимания рассмотрению характеристик устройств приема сигналов системы Galileo, тем больше мы стали задумываться о том, стоит ли принимать во внимание, что имеющиеся различия в реализациях устройств являются следствием выбора структур сигнала. Мы использовали текущие базовые параметры сигнала, сравнивая C/A коды сигнала NAVSTAR и сигналы передачи данных Galileo в диапазоне L1. Ключевые параметры сигнала, используемые Galileo для передачи данных в диапазоне L1 – скорость передачи сигнала 2.046 (Mcps/сек), BOC (binary offset carrier)¹ с типом модуляции (BOC(2,2)). Периодически повторяющиеся кодовые последовательности всё ещё применяются, а значения в 1 мсек или 5 мсек установлены изначально. Т.к. всё ещё нет кодов, официально выделенных для Galileo, используется код Голда длиной 2047 элементов, урезанный до 2046 бит. Свойства корреляции используемого кода очень схожи с подобным кодом Голда системы NAVSTAR. Это гарантирует схожесть при сравнении и при отсутствии специально выделенных для Galileo кодовых последовательностей.

Конечно же, имеется множество путей обработки этих NAVSTAR и Galileo сигналов в приёмнике. В частности, при наличии сведений об окружающей среде и заданной производительности, возможно соответствующим образом оптимизировать захват и характеристики сопровождения. Эти исследования никак не связаны с выполнением работ по оптимизации на этой стадии; просто оно определяет необходимость сначала определить различия в надлежащем исполнении соответствующих свойств системы, а не определить конфигурацию приёмника. Поэтому конфигурация приёмника разрабатывается заранее из условия быть по возможности подобной.

Наиболее важными являются частота дискретизации приёмника и его пропускная способность, величины которых должны быть выбраны, чтобы привести в соответствие уровни принимаемых сигналов. Учитывая полную пропускную способность приёмника, минимальная принимаемая мощность, заданная для несущей сигнала диапазона L1 системы Galileo, по существу, должна быть такой же, как определено для системы NAVSTAR с кодом C/A. Отсюда и пропускная способность сигналов систем NAVSTAR и Galileo может быть выбрана такой, чтобы обе системы принимали сигнал с одинаковой мощностью. В то же время, пропускная способность приёмника должна быть достаточно большой, чтобы можно было использовать минимально возможную корреляцию и не настолько большой, чтобы потребовалось увеличивать частоту дискретизации. В табл. 2 показана выбранная для NAVSTAR и Galileo конфигурация архитектуры приёмников.

	NAVSTAR с кодом C/A	Galileo с сигналом BOC (2,2)
Квантование	9 MHz, 3-битное	22 MHz, 3-битное
Ширина полосы фильтра промежуточной частоты	6.5 MHz	18 MHz
IRM	3 бита	3 бита
Коррелятор	Чипсет по технологии 0.23 мкМ	Чипсет по технологии 0.19 мкМ
Разбивка дискриминатора кода	Ранний - отрицательный, поздний - мощный	Ранний – отрицательный, поздний - мощный
Период интеграции	1 мсек	1 мсек

Таблица 2. Ключевые параметры приёмника

 

Для определения уровня отношения сигнал–шум (CNR) на входе приёмника мы так же определили характеристики требуемой антенны. Для их рассмотрения мы использовали активную антенну RHCP с типовым логарифмическим узкополосным усилителем LNA, имеющим коэффициент шума усилителя антенны 2 dB. Для имитации профилей затухания мощности в условиях городского каньона ранее описывались применённые углы возвышения в 25, 45 и 80 градусов. С принятой антенной выигрыш в усилении был –1dB, +1dB, +3dB для указанных углов соответственно. Минимальное отношение сигнал – шум на входе приёмника было вычислено как 44.6 dBHz, 47.1 dBHz и 47.4 dBHz для обеих систем - NAVSTAR и Galileo (Galileo должен ретранслировать более высокий уровень минимального заданного эффективного ненаправленного излучения мощности, чем NAVSTAR, но будет делить мощность между тремя сигналами).

Имея заданное номинальное значение CNR для указанных углов возвышения, мы можем применять смоделированные профили затухания мощности к верным уровням сигнала. Это наглядно показывает, что моделирование помогает выполнять высокоэффективную работу по представлению режимов сигнала в смоделированных условиях окружающей среды.

Моделирование условий городских каньонов

Получаемые результаты выявили наличие эффекта влияния многочисленных переотражений в условиях городских каньонов и внутренних помещений зданий на эффективность удержания приёмниками систем NAVSTAR и Galileo захваченного сигнала при различных условиях. Мы оценивали эти параметры путём конфигурирования имитационных параметров таким образом, чтобы номинальная линия обзора сигнала была получена первой, а затем достигалось устойчивое его сопровождение. Затем мы вводили профиль затухания мощности, чтобы посмотреть, может ли приёмник поддерживать стабильное сопровождение сигнала.

В случае, когда имитатор терял захваченный сигнал, то номер профиля вводился возрастающим, для подстраховки того, что потеря захвата была вынужденная, соответствующая профилю, а не являлась результатом больших нарушений непрерывности сигнала.

Если имитатор поддерживал захват, конфигурация сопровождения поддерживалась для большего уровня дискретизации, так что сопровождение пропадало, или появлялась систематическая ошибка, что требовало принятия определённого решения в соответствии с требованиями точности сопровождения и постоянной величины соотношения сигнал – шум CNR. Имитатор выключался, а затем процесс повторялся для других профилей затухания мощности (характеристики определялись для стационарного приёмника и стационарных условий переотражения).

Сопроводительный рисунок показывает один из смоделированных сценариев для городских каньонов, представляющий шаги вдоль улицы с открытым перекрестком на одном конце и городским каньоном на другом. Номер профиля соответствует одиночному номеру профиля затухания мощности для каждого шага. Рис. 9 показывает получающуюся систематическую ошибку определения местоположения для NAVSTAR и Galileo конфигураций, рис.10 – точность приема сигналов и рис. 11 – установившийся уровень соотношения сигнал – шум CNR.

Рис. 9. Систематическая ошибка
определения местоположения (городской каньон).

Рис. 10. Точность приема сигналов.

Рис. 11. Установившийся уровень соотношения
сигнал – шум для одинаковых сценариев.

Очевидно, что довольно суровое окружение в условиях пропадания видимости для одиночного приёмника внутри каньона, характерно для профилей с номерами после 51. Не во всех случаях приёмники могут поддерживать сопровождение сигнала, если уровень сигнала падает ниже допустимого порога, равного приблизительно 30 dBHz.. Систематическая ошибка определения местоположения относительно большая в условиях городских каньонов и для NAVSTAR и для Galileo, однако точность приема сигналов лучше у Galileo, чем у NAVSTAR.

На основе общих результатов, полученных при большем числе имитаций, мы покажем, что реализация Galileo BOC имеет лучшую точность сопровождения, чем NAVSTAR C/A BPSK. Систематическая ошибка сопровождения (из–за влияния переотражений) так же ниже, но сильно зависит от доли компонентов малозамедленных переотражений – большой совокупности близлежащих отражений, или единственного отражения в замкнутом объёме, в одинаковой мере воздействующих на устройства обеих систем – NAVSTAR и Galileo. Имеется тем не менее еще возможность точной регулировки параметров сигнала и определения оптимальной архитектуры обработки сигнала BOC.

Расчётная характеристика системы

Анализ параметров группировки и сигналов может быть комбинированным, чтобы можно было выработать идею в целях достижении необходимых параметров для NAVSTAR и/или Galileo в условиях города. Это было предпринято для ряда комбинаций, касающихся только спутников (включая различные временные рамки для подсчета результатов от модернизации NAVSTAR), плюс улучшения системы, такие, как дифференциальное инерциальное управление и сетевая поддержка. Уровни UERE были созданы с учетом поддержки каждого сценария, начиная с оценки достижимости требуемых характеристик Сервиса Стандартного Позиционирования (SPS) системы NAVSTAR сегодня. Мы использовали значения систематической ошибки и точности, полученные от имитации работы приёмника, имеющего на входе такие компоненты UERE, как сигналы переотражений и шумы приёмника, а затем получали точность путем умножения со значением HDOP, выведенным при анализе видимости спутников.

Спутники	28 NAVSTAR +0 Galileo	28 NAVSTAR +27 Galileo	28 NAVSTAR +12 Galileo	28 NAVSTAR +27 Galileo
Открытое небо	7 м / 95%	5 м / 95%	5 м / 95%	4 м / 95%
Пригород	32 м / 90%	17 м / 95%	15 м / 95%	8 м / 95%
Малоэтажная застройка	17 м / 50%	23 м / 75%	59 м / 95%	14 м / 95%
Многоэтажная застройка	-	-	26 м / 50%	42 м / 90%

Таблица 3. Расчетная типовая точность и эффективность для различных сценариев использования спутников (без учета иных влияний) в городских условиях.

 

Дифференциальный режим плюс:	28 NAVSTAR +0 Galileo	0 NAVSTAR +27 Galileo	28 NAVSTAR +12 Galileo	28 NAVSTAR +27 Galileo
Открытое небо	3 м / 95%	2.5 м / 95%	2 м / 95%	1.5 м / 95%
Пригород	16 м / 90%	8 м / 95%	7 м / 95%	4 м / 95%
Малоэтажная застройка	9 м / 50%	9 м / 75%	15 м / 95%	7 м / 95%
Многоэтажная застройка	-	-	15 м / 50%	25 м / 90%

 

Таблица 4. Расчетная типовая точность и эффективность для различных сценариев использования спутников в городских условиях (дифференциальный режим).

С сетевой поддержкой	28 NAVSTAR +0 Galileo	0 NAVSTAR +27 Galileo	28 NAVSTAR +12 Galileo	28 NAVSTAR +27 Galileo
Пригород	11м / 95%	7 м / 95%	7 м / 95%	5 м / 95%
Малоэтажная застройка	41 м / 50%	14 м / 95%	24 м / 95%	12 м / 95%
Многоэтажная застройка	34 м / 50%	25 м / 75%	42 м / 90%	22 м / 95%

Таблица 5. Расчетная типовая точность и эффективность для сценариев с сетевой поддержкой в городских условиях.

 

Во всех случаях имитации, в которых использовались условия полной видимости LOS, доля сигналов переотражений в UERE меньше или равна доле ионосферных помех (для одночастотных приёмников). Однако в условиях неполной видимости сигналы всё же могут быть приняты, но размеры отклонения величин переотражений могут стать преобладающими в суммарном сбое позиционирования. Табл. 3 показывает пример случая прогнозирования величин точности и разрешающей способности для различных комбинаций спутников NAVSTAR и Galileo, округлённых с точностью до метра. Значение 7 метров с вероятностью 95% для работы только системы NAVSTAR при чистом небе и низком уровне переотражений хорошо согласуется с практическими измерениями. Читая колонки значений сверху вниз, видим, что точность и разрешающая способность значительно ухудшаются с ограничением угла маскирования и введением дополнительных переотражений, но в точках многоэтажной застройки, где, с точки зрения рынка, сигнал просто не видим, часто его величина оказывается достаточной для вычислений.

Группировка, состоящая только из спутников Galileo, показывает идентичные, но всё же чуть лучшие результаты; однако необходимы дополнительные 12 спутников Galileo, как часть супергруппировки взаимодействующих систем, для достижения характеристик, превышающих характеристики отдельно взятой системы – NAVSTAR или Galileo. Разрешающая способность в центрах городов очень мала, но введение в эксплуатацию полной супергруппировки спутников позволит решить эту проблему.

Таблицы 4 и 5 показывают данные для различных добавочных комплектаций и сетевой поддержки спутниковых группировок. Использование дифференциального режима повышает точность определения местоположения примерно в 2 раза, в то время как сетевой сценарий улучшает и точность, и разрешающую способность, позволяя использовать этот режим в условиях многоэтажного окружения.

Выводы

Анализ возможностей системы Galileo демонстрирует ее несколько лучшие разрешающие способности над Европой, чем NAVSTAR, но ни одна из систем в одиночку не обладает надежной видимостью достаточного количества спутников. Эксплуатируя группировку спутников NAVSTAR и запуская добавочные спутники Galileo, можно существенно увеличить работоспособность систем в городских условиях. Минимальное число требуемых спутников несколько ниже их количества в полной группировке из 27 (плюс три запасных) спутников. С другой стороны, коммерческая гонка двух систем приведет к тому, что развертывание своей группировки позволит Galileo начать предоставлять пользовательские услуги существенно раньше, чем определено планом введения в эксплуатацию.

Измерения внутри помещений продемонстрировали, что уровень затухания может быть до 25 dB, значительно и равномерно изменяющийся на малом расстоянии. Всесторонняя имитация с целью определения характеристик приёмника позволила выявить их существенное влияние на систематическую ошибку определения кодовых последовательностей, схожих величин сигналов NAVSTAR C/A и Galileo BOC. Точность определения для BOC (2,2) существенно лучше, чем для BPSK(1) во всех сценариях.

На основе прогноза отмечалось, что для совместимости NAVSTAR/Galileo систем может быть предложено значительное улучшение точности и разрешения отдельно для одной системы NAVSTAR, специально для городских условий. Дополнительные спутники Galileo, даже в сокращённом варианте, принесут больше выгоды для работы в диапазоне L1, чем это ожидается от будущей модернизации системы NAVSTAR. Наш анализ показывает, что должны быть установлены рамки усовершенствования систем для дальнейшего улучшения точности и разрешающей способности. При этом выбор этих параметров для рыночного использования должен учитывать, будет ли оценена добавочная стоимость инфраструктуры и будет ли она обоснованной для конечного пользователя (очевидно, что это увеличение может быть сильно ограничено условиями многоэтажной застройки, для которой использования только спутниковых систем не достаточно).

¹Форма модуляции использующая модуляцию на вспомогательной несущей и требующей определенной скорости передачи данных.