Дифференциальные глобальные системы позиционирования ( DGPS ) дополняют и улучшают позиционные данные, доступные из глобальных навигационных спутниковых систем (GNSS). DGPS может увеличить точность позиционных данных примерно в тысячу раз, с приблизительно 15 метров (49 футов) до 1–3 сантиметров ( 1 ⁄ 2 – 1+1 ⁄ 4 дюйма). [1]
DGPS состоят из сетей фиксированных наземных опорных станций. Каждая опорная станция вычисляет разницу между своей высокоточной известной позицией и менее точной позицией, полученной со спутника. Станции транслируют эти данные локально — обычно с помощью наземных передатчиков меньшей дальности. Нефиксированные (мобильные) приемники используют их для коррекции своего положения на ту же величину, тем самым повышая свою точность.
Береговая охрана США ( USCG) ранее управляла DGPS в Соединенных Штатах на длинноволновых радиочастотах между 285 кГц и 325 кГц вблизи крупных водных путей и портов. Она была прекращена в марте 2022 года. [2] DGPS USCG была известна как NDGPS (Nationwide DGPS) и совместно управлялась Береговой охраной и Инженерным корпусом армии . Она состояла из вещательных сайтов, расположенных по всей внутренней и прибрежной части Соединенных Штатов, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Канадская береговая охрана (CCG) [3] также управляла отдельной системой DGPS, но прекратила ее использование 15 декабря 2022 года. В других странах есть свои собственные DGPS. [ необходима цитата ]
Похожая система, которая передает поправки с орбитальных спутников вместо наземных передатчиков, называется спутниковой системой дополнения Wide-Area DGPS (WADGPS) [4] .
Когда GPS впервые был введен в эксплуатацию, американские военные были обеспокоены возможностью использования вражескими силами глобально доступных сигналов GPS для управления своими собственными системами вооружения. Первоначально правительство считало, что сигнал «грубого обнаружения» (C/A) даст точность всего около 100 метров (330 футов ), но с улучшенными конструкциями приемников фактическая точность составила от 20 до 30 метров (от 66 до 98 футов ). [5] Начиная с марта 1990 года, [6] : 11 чтобы избежать предоставления такой неожиданной точности, сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 ( 1575,42 МГц ), был намеренно ухудшен путем смещения его тактового сигнала на случайную величину, эквивалентную примерно 100 метрам (330 футам ) расстояния. Эта техника, известная как селективная доступность , или сокращенно SA, серьезно ухудшила полезность сигнала GPS для невоенных пользователей. Более точное наведение было возможно для пользователей двухчастотных GPS-приемников, которые также принимали частоту L2 ( 1227,6 МГц ), но передача L2, предназначенная для военного использования, была зашифрована и была доступна только авторизованным пользователям с ключами дешифрования.
Это представляло проблему для гражданских пользователей, которые полагались на наземные радионавигационные системы, такие как системы LORAN , VOR и NDB, обслуживание которых обходилось в миллионы долларов в год. Появление глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) могло бы обеспечить значительное повышение точности и производительности за малую часть стоимости. Однако точность, присущая SA, была слишком низкой, чтобы сделать это реалистичным. Военные получили несколько запросов от Федерального управления гражданской авиации (FAA) , Береговой охраны США (USCG) и Министерства транспорта США (DOT) на то, чтобы выделить SA для гражданского использования GNSS, но остались непоколебимы в своих возражениях по соображениям безопасности.
В течение начала и середины 1980-х годов ряд агентств работали над разработкой решения «проблемы» SA. [ сомнительно – обсудить ] Поскольку сигнал SA изменялся медленно, влияние его смещения на позиционирование было относительно фиксированным – то есть, если смещение было «100 метров к востоку», то это смещение будет верным на относительно большой территории. Это предполагало, что трансляция этого смещения на местные приемники GPS могла бы устранить влияние SA, что привело бы к измерениям, более близким к теоретическим характеристикам GPS, около 15 метров (49 футов). Кроме того, еще одним основным источником ошибок в определении местоположения GPS являются задержки передачи в ионосфере , которые также можно было измерить и скорректировать в трансляции. Это дало улучшение до точности около 5 метров (16 футов), 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 транслируются на морских длинноволновых частотах, которые могут быть приняты существующими радиотелефонами [ необходимо дополнительное объяснение ] и поданы на соответствующим образом оборудованные GPS-приемники. Почти все основные поставщики GPS предлагали устройства с входами DGPS, не только для сигналов USCG, но и для авиационных устройств либо на УКВ , либо на коммерческих радиодиапазонах AM .
Сигналы DGPS «производственного качества» начали отправляться на ограниченной основе в 1996 году, и сеть была быстро расширена, чтобы охватить большинство портов захода США, а также морской путь Святого Лаврентия в партнерстве с канадской береговой охраной . Были разработаны планы по расширению системы на всю территорию США, но это было нелегко. Качество поправок DGPS, как правило, снижалось с расстоянием, и крупные передатчики, способные охватывать большие площади, как правило, группируются вблизи городов. Это означало, что малонаселенные районы, особенно на Среднем Западе и Аляске, будут иметь небольшое покрытие наземным GPS. По состоянию на ноябрь 2013 года национальная DGPS Береговой охраны США состояла из 85 вещательных станций, которые обеспечивают двойное покрытие почти всей береговой линии США и внутренних судоходных водных путей, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Кроме того, система обеспечивала одинарное или двойное покрытие большей части внутренней части Соединенных Штатов. [7] Вместо этого FAA (и другие) начали изучать трансляцию сигналов по всему полушарию со спутников связи на геостационарной орбите. Это привело к созданию Wide Area Augmentation System (WAAS) и подобных систем, хотя их обычно не называют DGPS или, как вариант, «wide-area DGPS». WAAS обеспечивает точность, схожую с точностью наземных сетей DGPS Береговой охраны США, и были некоторые аргументы в пользу того, что последняя будет отключена, когда WAAS станет полностью работоспособной.
К середине 1990-х годов стало ясно, что система SA больше не была полезна в своей предполагаемой роли. DGPS сделала бы ее неэффективной над США, где она считалась наиболее необходимой. 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 полезным для Соединенных Штатов. [9] В 2000 году указ президента Билла Клинтона отключил ее навсегда. [10]
Тем не менее, к этому моменту DGPS превратилась в систему, обеспечивающую большую точность, чем даже не-SA GPS-сигнал мог бы обеспечить сам по себе. Существует несколько других источников ошибок, которые имеют те же характеристики, что и SA, в том смысле, что они одинаковы на больших территориях и в течение «разумного» времени. К ним относятся ионосферные эффекты, упомянутые ранее, а также ошибки в данных эфемерид положения спутника и дрейф часов на спутниках. В зависимости от объема данных, отправляемых в сигнале коррекции DGPS, исправление 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 службы DGPS, продавая свой сигнал (или приемники для него) пользователям, которым требуется более высокая точность, чем номинальные 15 метров, которые предлагает GPS. Почти все коммерческие устройства GPS, даже портативные, теперь предлагают ввод данных DGPS, а многие также напрямую поддерживают WAAS. В некоторой степени форма DGPS теперь является естественной частью большинства операций GPS.
Опорная станция вычисляет дифференциальные поправки для своего собственного местоположения и времени. Однако пользователи могут находиться на расстоянии до 200 морских миль (370 км) от станции, и некоторые из компенсируемых ошибок меняются в зависимости от пространства: в частности, ошибки спутниковых эфемерид и ошибки, вносимые ионосферными и тропосферными искажениями. По этой причине точность DGPS снижается с расстоянием от опорной станции. Проблема может усугубляться, если у пользователя и станции отсутствует «взаимная видимость» — когда они не могут видеть одни и те же спутники.
В Федеральном радионавигационном плане США и Рекомендации IALA по производительности и мониторингу служб DGNSS в диапазоне 283,5–325 кГц приводятся данные Министерства транспорта США за 1993 год о росте погрешности в 0,67 метра на 100 километров (3,5 фута/100 миль ) от места вещания [11], но измерения точности по ту сторону Атлантики, в Португалии, показывают ухудшение всего на 0,22 м/100 км (1,2 фута/100 миль ). [12]
DGPS может относиться к любому типу наземной системы дополнения (GBAS). По данным Береговой охраны США, в мире используется множество операционных систем, 47 стран используют системы, похожие на NDGPS (Nationwide Differential Global Positioning System, общенациональная дифференциальная система глобального позиционирования). Список можно найти в базе данных World DGPS для Dxers. [13]
Европейская сеть DGPS была разработана в основном финскими и шведскими морскими администрациями с целью повышения безопасности на архипелаге между двумя странами. [ необходима цитата ]
В Великобритании и Ирландии система была внедрена в качестве помощи морской навигации, чтобы заполнить пробел, оставленный прекращением работы системы Decca Navigator в 2000 году. С сетью из 12 передатчиков, расположенных вокруг береговой линии, и тремя станциями управления она была создана в 1998 году соответствующими Генеральными маячными управлениями (GLA) стран — Trinity House, охватывающим Англию , Уэльс и Нормандские острова , Northern Lighthouse Board, охватывающим Шотландию и остров Мэн , и Commissioners of Irish Lights , охватывающим всю Ирландию . Передавая в диапазоне 300 кГц, система прошла тестирование, и два дополнительных передатчика были добавлены, прежде чем система была объявлена работающей в 2002 году. [14] [15] [16]
Effective Solutions предоставляет подробную информацию и карту европейских дифференциальных маяковых передатчиков. [17]
Министерство транспорта США совместно с Федеральным управлением шоссейных дорог , Федеральным управлением железных дорог и Национальной геодезической службой назначили Береговую охрану США в качестве агентства по обслуживанию сети DGPS США (NDGPS). Система является расширением предыдущей системы Maritime Differential 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 расширяет ее, включая полное покрытие континентальной части Соединенных Штатов. [18] Централизованным подразделением управления и контроля является Навигационный центр USCG, базирующийся в Александрии, штат Вирджиния. [19] В настоящее время в сети США имеется 85 сайтов NDGPS, администрируемых Навигационным центром Министерства внутренней безопасности США.
В 2015 году USCG и Инженерный корпус армии США (USACE) запросили комментарии по поводу запланированного поэтапного прекращения работы DGPS США. [20] В ответ на полученные комментарии в последующем уведомлении Федерального регистра от 2016 года было объявлено, что 46 станций останутся в эксплуатации и «будут доступны пользователям в морских и прибрежных регионах». [21] Несмотря на это решение, USACE вывел из эксплуатации оставшиеся 7 станций, а в марте 2018 года USCG объявил, что выведет из эксплуатации оставшиеся станции к 2020 году. [22] По состоянию на июнь 2020 года все услуги NDGPS были прекращены, поскольку они больше не считаются необходимыми из-за отмены избирательной доступности в 2000 году [23] , а также внедрения спутников GPS нового поколения . [24]
Канадская система была похожа на систему США и в первую очередь предназначалась для морского использования, охватывая побережье Атлантики и Тихого океана, а также Великие озера и морской путь Святого Лаврентия . Она была прекращена как услуга 15 декабря 2022 года. [25]
В Австралии работают три DGPS: один в основном для морской навигации, транслируя свой сигнал в длинноволновом диапазоне; [26] другой используется для топографической съемки и наземной навигации и транслирует поправки в диапазоне коммерческих радиостанций FM. Третий в аэропорту Сиднея в настоящее время проходит испытания для точной посадки самолетов (2011 г.) в качестве резервной копии системы посадки по приборам по крайней мере до 2015 г. Он называется наземной системой дополнения . Поправки к положению самолета транслируются в авиационном диапазоне VHF.
Морская служба DGPS 16 наземных станций, охватывающих побережье Австралии, была прекращена с 1 июля 2020 года. [27] Улучшенные многоканальные возможности GPS и источники сигнала от нескольких поставщиков (GPS, ГЛОНАСС , Galileo и BeiDou ) были указаны как обеспечивающие лучшую навигационную точность, чем можно было бы получить от GPS + DGPS. Австралийская спутниковая система дополнения (SBAS), Southern Positioning Augmentation Network (SouthPAN) предлагает более высокую точность позиционирования для пользователей GNSS. [28]
Постобработка используется в дифференциальной GPS для получения точных координат неизвестных точек путем их соотнесения с известными точками, такими как геодезические маркеры .
Измерения GPS обычно хранятся в памяти компьютера в приемниках GPS и впоследствии передаются на компьютер, на котором установлено программное обеспечение для 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, занятыми каждой парой антенн GPS. Постобработанные измерения позволяют более точное позиционирование, поскольку большинство ошибок GPS влияют на каждый приемник почти одинаково, и поэтому могут быть отменены в расчетах.
Дифференциальные измерения GPS также могут быть вычислены в реальном времени некоторыми приемниками GPS, если они получают сигнал коррекции с помощью отдельного радиоприемника, например, при съемке в реальном времени с использованием кинематики (RTK) или навигации .
Улучшение позиционирования GPS не требует одновременных измерений двух или более приемников в любом случае, но может быть сделано также путем специального использования одного устройства . В 1990-х годах, когда даже карманные приемники были довольно дорогими, были разработаны некоторые методы квазидифференциального GPS, использующие приемник в быстрых поворотах позиций или циклах из 3-10 точек съемки . [ необходима цитата ]
