Дифференциальные системы глобального позиционирования ( DGPS ) дополняют и улучшают данные о местоположении, доступные от глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS). DGPS для GPS может повысить точность примерно в тысячу раз, примерно с 15 метров (49 футов) до 1–3 сантиметров ( 1 ⁄ 2 – 1+1 ⁄ дюйма ). [1]
DGPS состоят из сетей фиксированных наземных опорных станций. Каждая опорная станция вычисляет разницу между своим высокоточным известным положением и менее точным положением, полученным со спутника. Станции передают эти данные локально, обычно используя наземные передатчики меньшего радиуса действия. Нестационарные (мобильные) приемники используют его для коррекции своего положения на ту же величину, тем самым повышая свою точность.
Береговая охрана США ( USCG) ранее использовала DGPS в Соединенных Штатах на длинноволновых радиочастотах от 285 до 325 кГц вблизи основных водных путей и гаваней. Его деятельность была прекращена в марте 2022 года. [2] DGPS Береговой охраны США была известна как NDGPS (Nationwide DGPS) и находилась в совместном ведении Береговой охраны и Инженерного корпуса армии . Он состоял из вещательных станций, расположенных во внутренних и прибрежных частях Соединенных Штатов, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Береговая охрана Канады ( CCG) [3] также имела отдельную систему DGPS, но прекратила ее использование 15 декабря 2022 года. В других странах есть свои собственные DGPS. [ нужна цитата ]
Подобная система, которая передает поправки от орбитальных спутников вместо наземных передатчиков, называется спутниковой системой дополнения Wide-Area DGPS (WADGPS) [4] .
Когда GPS впервые была введена в эксплуатацию, американские военные были обеспокоены возможностью того, что силы противника будут использовать глобально доступные сигналы GPS для управления своими собственными системами вооружения. Первоначально правительство думало, что сигнал «грубого обнаружения» (C/A) будет давать только около 100 метров (330 футов ), но с улучшенной конструкцией приемника фактическая точность составила от 20 до 30 метров (от 66 до 98 футов ). [5] Начиная с марта 1990 года, [6] : 11, чтобы избежать такой неожиданной точности, сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 ( 1575,42 МГц ), намеренно ухудшался путем смещения его тактового сигнала на случайную величину, эквивалентную примерно Расстояние 100 метров (330 футов ). Этот метод, известный как Selective Availability , или сокращенно SA, серьезно снизил полезность сигнала GPS для невоенных пользователей. Более точное наведение было возможно для пользователей двухчастотных GPS-приемников, которые также получали частоту L2 ( 1227,6 МГц ), но передача L2, предназначенная для военного использования, была зашифрована и была доступна только авторизованным пользователям с ключами расшифровки.
Это представляло проблему для гражданских пользователей, которые полагались на наземные радионавигационные системы, такие как системы LORAN , VOR и NDB , обслуживание которых обходится в миллионы долларов каждый год. Появление глобальной навигационной спутниковой системы (ГНСС) могло бы обеспечить значительно более высокую точность и производительность при небольших затратах. Однако точность, присущая сигналу S/A, была слишком низкой, чтобы сделать это реалистичным. Военные получили несколько запросов от Федерального авиационного управления (FAA) , Береговой охраны США (USCG) и Министерства транспорта США (DOT) о выделении S/A для обеспечения возможности использования GNSS в гражданских целях, но продолжали упорно возражать против этого. основания безопасности.
В период с начала до середины 1980-х годов ряд агентств разработали решение «проблемы» СА. [ сомнительно ] Поскольку сигнал SA менялся медленно, влияние его смещения на позиционирование было относительно фиксированным - то есть, если бы смещение было «100 метров на восток», это смещение было бы справедливым для относительно широкой области. Это предполагало, что передача этого смещения на местные приемники GPS может устранить влияние SA, в результате чего измерения будут ближе к теоретическим характеристикам GPS - около 15 метров (49 футов). Кроме того, еще одним основным источником ошибок при определении координат GPS являются задержки передачи в ионосфере , которые также можно измерить и скорректировать в ходе трансляции. Это позволило повысить точность до 5 метров (16 футов), что более чем достаточно для большинства гражданских нужд. [1]
Береговая охрана США была одним из наиболее агрессивных сторонников DGPS, экспериментируя с системой на все более широкой основе в конце 1980-х и начале 1990-х годов. Эти сигналы передаются на морских длинноволновых частотах, которые могут быть приняты существующими радиотелефонами [ требуются дальнейшие пояснения ] и переданы в соответствующим образом оборудованные приемники GPS. Почти все основные поставщики GPS предлагали устройства с входами DGPS не только для сигналов Береговой охраны США, но и для авиационных устройств, работающих как в ОВЧ , так и в коммерческих AM- радиодиапазонах.
Сигналы DGPS «производственного качества» начали рассылаться в ограниченном объеме в 1996 году, и сеть была быстро расширена, чтобы охватить большинство портов захода в США, а также морской путь Святого Лаврентия в партнерстве с канадской береговой охраной . Были разработаны планы по расширению системы на территории США, но это было непросто. Качество поправок DGPS обычно падает с расстоянием, и крупные передатчики, способные покрывать большие территории, имеют тенденцию группироваться вблизи городов. Это означало, что районы с низкой численностью населения, особенно на Среднем Западе и Аляске, будут иметь мало покрытия наземной GPS. По состоянию на ноябрь 2013 года национальная DGPS Береговой охраны США состояла из 85 станций вещания, которые обеспечивают двойное покрытие почти всей береговой линии США и внутренних судоходных путей, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Кроме того, система обеспечивала одинарное или двойное покрытие большей части внутренней части Соединенных Штатов. [7] Вместо этого ФАУ (и другие) начали изучать трансляцию сигналов по всему полушарию со спутников связи на геостационарной орбите. Это привело к созданию глобальной системы расширения (WAAS) и подобных систем, хотя их обычно не называют DGPS или, альтернативно, «глобальной DGPS». WAAS обеспечивает точность, аналогичную наземным сетям DGPS Береговой охраны США, и были некоторые аргументы в пользу того, что последние будут отключены, когда WAAS станет полностью работоспособным.
К середине 1990-х годов стало ясно, что система SA больше не может выполнять свою предназначенную роль. DGPS сделает его неэффективным в США, где он считался наиболее необходимым. Кроме того, во время войны в Персидском заливе 1990–1991 годов SA была временно отключена, поскольку войска союзников использовали коммерческие приемники GPS. [8] Это показало, что отключение SA может быть полезно для Соединённых Штатов. [9] В 2000 году указ президента Билла Клинтона отключил его навсегда. [10]
Тем не менее, к этому моменту DGPS превратилась в систему, обеспечивающую большую точность, чем мог бы обеспечить даже сигнал GPS, отличный от SA. Есть несколько других источников ошибок, которые имеют те же характеристики, что и SA, в том смысле, что они одинаковы на больших площадях и в течение «разумного» периода времени. К ним относятся упомянутые ранее ионосферные эффекты, а также ошибки в данных эфемерид положения спутников и дрейф часов на спутниках. В зависимости от объема данных, отправляемых в сигнале коррекции DGPS, коррекция этих эффектов может значительно уменьшить ошибку: лучшие реализации обеспечивают точность менее 10 сантиметров (3,9 дюйма).
В дополнение к продолжающемуся развертыванию систем, спонсируемых USCG и FAA, ряд поставщиков создали коммерческие услуги DGPS, продавая свой сигнал (или приемники для него) пользователям, которым требуется более высокая точность, чем предлагает номинальная 15-метровая GPS. Почти все коммерческие устройства GPS, даже портативные, теперь предлагают ввод данных DGPS, а многие из них также напрямую поддерживают WAAS. В некоторой степени форма DGPS теперь является естественной частью большинства операций GPS.
Опорная станция рассчитывает дифференциальные поправки для своего местоположения и времени. Однако пользователи могут находиться на расстоянии до 200 морских миль (370 км) от станции, и некоторые из компенсируемых ошибок различаются в зависимости от пространства: в частности, ошибки спутниковых эфемерид и ошибки, вносимые ионосферными и тропосферными искажениями. По этой причине точность DGPS снижается по мере удаления от базовой станции. Проблема может усугубиться, если у пользователя и станции отсутствует «взаимная видимость» — когда они не могут видеть одни и те же спутники.
В Федеральном плане радионавигации США и Рекомендации МАМС по характеристикам и мониторингу служб ДГНСС в полосе частот 283,5–325 кГц приводятся оценки Министерства транспорта США за 1993 год, которые составили 0,67 метра на 100 километров (3,5 футов/100 миль). ) с места вещания [11] , но измерения точности через Атлантику, в Португалии, предполагают ухудшение всего на 0,22 м/100 км (1,2 фута/100 миль ). [12]
DGPS может относиться к любому типу наземной системы функционального дополнения (GBAS). По данным Береговой охраны США, в мире используется множество операционных систем, 47 стран используют системы, аналогичные американской NDGPS (Национальная дифференциальная глобальная система позиционирования). Список можно найти в базе данных World DGPS для Dxers. [13]
Европейская сеть DGPS была разработана в основном морскими администрациями Финляндии и Швеции с целью повышения безопасности на архипелаге между двумя странами. [ нужна цитата ]
В Великобритании и Ирландии система была внедрена в качестве средства морской навигации, чтобы заполнить пробел, образовавшийся после прекращения существования системы Decca Navigator в 2000 году. Она была создана с сетью из 12 передатчиков, расположенных вокруг береговой линии, и трех станций управления. в 1998 году соответствующими Генеральными управлениями маяков стран (GLA) — Тринити-хаус , охватывающим Англию , Уэльс и Нормандские острова , Советом северных маяков, охватывающим Шотландию и остров Мэн, и Комиссарами ирландских фонарей , охватывающими всю Ирландию . Передавая в диапазоне 300 кГц, система прошла испытания и были добавлены два дополнительных передатчика, прежде чем система была объявлена действующей в 2002 году. [14] [15] [16]
Компания «Эффективные решения» предоставляет подробную информацию и карту европейских дифференциальных передатчиков радиомаяков. [17]
Министерство транспорта США совместно с Федеральным управлением автомобильных дорог , Федеральным управлением железных дорог и Национальной геодезической службой назначило Береговую охрану США агентством по обслуживанию общенациональной сети DGPS США (NDGPS). Эта система представляет собой расширение предыдущей морской дифференциальной GPS (MDGPS), которую береговая охрана начала в конце 1980-х годов и завершила в марте 1999 года. MDGPS охватывала только прибрежные воды, Великие озера и внутренние водные пути реки Миссисипи, в то время как NDGPS расширяется. это включает полное покрытие континентальной части Соединенных Штатов. [18] Централизованным подразделением управления и контроля является Навигационный центр USCG, расположенный в Александрии, штат Вирджиния. [19] В настоящее время в сети США имеется 85 сайтов NDGPS, находящихся в ведении Навигационного центра Министерства внутренней безопасности США.
В 2015 году USCG и Инженерный корпус армии США (USACE) запросили комментарии по поводу запланированного прекращения использования DGPS США. [20] В ответ на полученные комментарии в последующем уведомлении Федерального реестра от 2016 года было объявлено, что 46 станций останутся в эксплуатации и «доступны для пользователей в морских и прибрежных регионах». [21] Несмотря на это решение, USACE вывела из эксплуатации оставшиеся 7 станций, а в марте 2018 года Береговая охрана США объявила, что выведет из эксплуатации оставшиеся станции к 2020 году. [22] По состоянию на июнь 2020 года все услуги NDGPS были прекращены, поскольку больше не считается необходимостью из-за отмены выборочной доступности в 2000 году [23] , а также внедрения нового поколения спутников GPS . [24]
Канадская система аналогична системе США и в первую очередь предназначена для морского использования, охватывая Атлантическое и Тихоокеанское побережье, а также Великие озера и морской путь Святого Лаврентия . Эта услуга прекращена с 15 декабря 2022 года. [25]
В Австралии есть три DGPS: один предназначен в основном для морской навигации и передает сигнал в длинноволновом диапазоне; [26] другой используется для топографической съемки и наземной навигации, а поправки транслируются в коммерческом FM-радиодиапазоне. Третий в аэропорту Сиднея в настоящее время проходит испытания на точность посадки самолетов (2011 г.) в качестве резервной системы инструментальной посадки как минимум до 2015 г. Она называется наземной системой функционального дополнения . Корректировки положения самолета передаются в авиационном диапазоне УКВ.
Морская служба DGPS, состоящая из 16 наземных станций, охватывающих австралийское побережье, была прекращена с 1 июля 2020 года. [27] Улучшенные возможности многоканальной GPS и источники сигналов от нескольких поставщиков (GPS, ГЛОНАСС , Galileo и BeiDou ) были названы обеспечивающими лучшую навигационную точность, чем можно получить с помощью GPS + DGPS. Проект австралийской спутниковой системы функционального дополнения (SBAS), возглавляемый Geoscience Australia (GA), обеспечит более точное позиционирование для пользователей GNSS в течение следующих 2–3 лет (по состоянию на сентябрь 2020 г.). [ нужно обновить ]
Постобработка используется в дифференциальной GPS для получения точных положений неизвестных точек путем сопоставления их с известными точками, такими как геодезические маркеры .
Измерения GPS обычно сохраняются в памяти компьютера GPS-приемников и впоследствии передаются на компьютер, на котором установлено программное обеспечение постобработки GPS. Программное обеспечение вычисляет базовые линии , используя данные одновременных измерений от двух или более приемников GPS.
Базовые линии представляют собой трехмерную линию, проведенную между двумя точками, занимаемыми каждой парой GPS-антенн. Измерения с последующей обработкой позволяют более точно определить местоположение, поскольку большинство ошибок GPS влияют на каждый приемник почти одинаково и, следовательно, могут быть исключены при расчетах.
Дифференциальные измерения GPS также могут вычисляться в реальном времени некоторыми приемниками GPS, если они получают сигнал коррекции с помощью отдельного радиоприемника, например, при кинематической съемке в реальном времени (RTK) или навигации .
Улучшение GPS-позиционирования ни в коем случае не требует одновременных измерений двух или более приемников, но также может быть выполнено путем специального использования одного устройства . В 1990-х годах, когда даже портативные приемники были довольно дорогими, были разработаны некоторые методы квазидифференциальной GPS, использующие приемник для быстрых поворотов позиций или циклов по 3-10 точкам съемки . [ нужна цитата ]
