ВТ/6 – станция генерации дифференциальных поправок GPS

Че­ло­ве­чес­т­во с древ­них вре­мен изо­бре­та­ло и со­вер­шен­ство­ва­ло ин­стру­мен­ты и ме­то­ды оп­ре­де­ле­ния по­ложе­ния на зем­ле и на мо­ре. Са­мое точ­ное и до­ступ­ное мес­то­оп­ре­де­ле­ние осу­щес­твля­лось по звез­дам и Со­лн­цу. К со­жа­ле­нию, та­кая об­ще­из­вес­т­ная на­ви­га­ция име­ет ог­ром­ное ко­ли­чес­т­во не­до­стат­ков. Мы не бу­дем утом­лять чи­та­те­ля их пе­ре­чис­ле­ни­ем, од­на­ко от­ме­тим, что со­вре­мен­ная тех­но­ло­гия поз­во­ля­ет нам из­ба­вить­ся от мно­гих не­удобств.

В на­сто­я­щее вре­мя раз­вер­ну­ты и функци­о­ни­ру­ют две гло­баль­ные на­ви­га­ци­он­ные сис­те­мы на ос­но­ве ис­кус­ствен­ных спут­ни­ков Зем­ли (ИСЗ). Пер­вой бы­ла раз­вер­ну­та аме­ри­кан­с­кая сис­те­ма NAVSTAR GPS (Global Positioning System). Не­сколь­ко поз­же Рос­сия вы­ве­ла в око­ло­зем­ное про­стран­ст­во спут­ни­ки сис­те­мы ГЛО­НАСС (Гло­баль­ная На­ви­га­ци­он­ная Спут­ни­ко­вая Сис­те­ма).

К на­ше­му ве­ли­ко­му со­жа­ле­нию, до се­год­няш­не­го дня не на­ла­жен вы­пуск ма­ло­га­ба­рит­ных и от­но­си­тель­но де­ше­вых дат­чи­ков для ра­бо­ты с рос­сий­с­кой сис­те­мой, по­э­то­му в дан­ной статье мы об­ра­тим вни­ма­ние чи­та­те­лей на аме­ри­кан­с­кую GPS и ее при­ло­же­ния в из­де­ли­ях рос­сий­с­кой ком­па­нии АО ПРИН.

Ос­но­вой гло­баль­ной сис­те­мы мес­то­оп­ре­де­ле­ния (GPS) яв­ля­ет­ся со­звез­дие из 24 спут­ни­ков, на­хо­дя­щих­ся на шес­ти  кру­го­вых око­ло­зем­ных ор­би­тах с пе­ри­о­дом око­ло 12 ча­сов. Оно спро­ек­ти­ро­ва­но та­ким об­ра­зом, что­бы в лю­бой точ­ке Зем­ли в лю­бое вре­мя су­ток бы­ло вид­но не ме­нее 4 спут­ни­ков (ре­аль­но для ши­ро­ты Мос­к­вы на­блю­да­ет­ся до 12 спут­ни­ков од­нов­ре­мен­но).

Каж­дый спут­ник из­лу­ча­ет спе­ци­аль­ный на­ви­га­ци­он­ный сиг­нал на ос­но­ве псев­дос­лу­чай­ной пос­ле­до­ва­тель­нос­ти (ПСП) по двум час­то­там. Кро­ме то­го, на­ви­га­ци­он­ный сиг­нал со­сто­ит из двух ко­дов, один из ко­то­рых, бо­лее гру­бый, — от­кры­тый, так на­зы­ва­е­мый C/A (Clear Aquisition) код, дру­гой — за­щи­щен­ный, бо­­лее точ­ный Y-код для аме­ри­кан­с­ких во­ен­ных.

Сред­нек­вад­ра­ти­чес­кое от­кло­не­ние (СКО) пог­реш­нос­тей оп­ре­де­ле­ния го­ри­зон­таль­ных ко­ор­ди­нат на­хо­дит­ся в пред­елах 100 м при ис­поль­зо­ва­нии об­ще­дос­туп­но­го на­ви­га­ци­он­но­го сиг­на­ла в ав­то­ном­ном ре­жи­ме.

Даль­ней­шее по­вы­ше­ние точ­нос­ти свя­за­но с при­ме­не­ни­ем из­вес­тно­го в ра­дио­на­ви­га­ции при­нци­па диф­фе­рен­ци­аль­ных на­ви­га­ци­он­ных из­ме­ре­ний.

Диф­фе­рен­ци­аль­ный ре­жим GPS ­NAV-STAR (DGPS) да­ет воз­мож­ность оп­ре­де­лить мес­то­по­ло­же­ние с точ­ностью до 2-5 м в ди­на­ми­чес­кой на­ви­га­ци­он­ной об­ста­нов­ке и луч­ше 2 м — в ста­ци­о­нар­ных ус­ло­ви­ях. При­нцип  DGPS со­сто­ит в сле­ду­ю­щем: опор­ный при­ем­ник GPS рас­по­ла­га­ет­ся в пун­к­те с из­вес­тны­ми ко­ор­ди­на­та­ми (так на­зы­ва­е­мая опор­ная стан­ция — ОС), срав­ни­вая из­вес­т­ные ко­ор­ди­на­ты с из­ме­рен­ны­ми, при­ем­ник GPS вы­ра­ба­ты­ва­ет поп­рав­ки. Поп­рав­ки за­тем пе­ре­да­ют­ся по ра­дио­ка­на­лу пот­ре­би­те­лям, ко­то­рые ис­поль­зу­ют их для уточ­не­ния сво­их ко­ор­ди­нат.

Диф­фе­рен­ци­аль­ный ме­тод на­ибо­лее эф­фек­ти­вен, ког­да пре­об­ла­да­ю­щи­ми пог­реш­нос­тя­ми пот­ре­би­те­ля яв­ля­ют­ся сис­те­ма­ти­чес­кие ошиб­ки, обус­лов­лен­ные внеш­ни­ми по от­но­ше­нию к при­ем­ни­ку при­чи­на­ми. Та­кая си­ту­а­ция ха­рак­тер­на для GPS. Ос­нов­ные ис­точ­ни­ки по­греш­нос­тей, оп­ре­де­ля­е­мых при­ем­ни­ка­ми ко­ор­ди­нат, сле­ду­ю­щие.

1. На­ибо­лее су­щес­твен­ные пог­реш­нос­ти обус­лов­ле­ны ре­жи­мом се­лек­тив­но­го до­сту­па (Selective Availability, S/A). Это ошиб­ки ис­кус­ствен­но­го про­ис­хож­де­ния, вно­си­мые  в сиг­нал на бор­ту спут­ни­ков с целью за­груб­ле­ния на­ви­га­ци­он­ных из­ме­ре­ний. По­греш­нос­ти из-за вли­я­ния это­го фак­то­ра со­став­ля­ют при­мер­но 30 м (СКО).
2. Ионос­фер­ные за­дер­ж­ки рас­прос­тра­не­ния сиг­на­лов свя­за­ны с про­хож­де­ни­ем че­рез  вер­х­ние слои ат­мос­фе­ры и приводят к ошибкам по­ряд­ка ­20-30 м днем и 3-6 м ночью. Для поль­зо­ва­те­лей «во­ен­но­го» сиг­на­ла эта со­став­ля­ю­щая ус­тра­ня­ет­ся из­ме­ре­ни­я­ми на двух час­то­тах. Хо­тя на­ви­га­ци­он­ное со­об­ще­ние, пе­ре­да­ва­е­мое с бор­та спут­ни­ков, и со­дер­жит па­ра­мет­ры мо­де­ли ионос­фе­ры, ком­пен­са­ция фак­ти­чес­кой за­дер­ж­ки в луч­шем слу­чае со­став­ля­ет 50%.
3. Тро­пос­фер­ные за­дер­ж­ки рас­прос­т-ра­не­ния сиг­на­лов обус­лов­ле­ны про­хож­де­ни­ем че­рез ни­жние слои ат­мо­сфе­ры. Ве­ли­чи­на этих пог­реш­нос­тей по­ряд­ка 30 м, но они хо­ро­шо мо­де­ли­ру­ют­ся.
4. Эфе­ме­рид­ная пог­реш­ность — расхож-­де­ния меж­ду фак­ти­чес­ким пол­оже­ни­ем спут­ни­ка и его пол­оже­ни­ем, рас­счи­тан­ным по дан­ным, по­лу­чен­ным в со­ста­ве на­ви­га­ци­он­но­го сиг­на­ла, пе­ре­да­ва­е­мо­го с бор­та ИСЗ. Обыч­но та­кие пог­реш­нос­ти не пре­вы­ша­ют 3 м. Од­ним из ме­то­дов ис­кус­ствен­-но­го ухуд­ше­ния точ­нос­ти сис­те­мы (S/A) яв­ля­ет­ся за­груб­ле­ние дан­ных о по­ложе­нии спут­ни­ков. В та­ком слу­чае ве­ли­чи­на ошиб­ки в пол­оже­нии ИСЗ до­ку­мен­таль­но не оп­ре­де­ле­на.
5. Пог­реш­ность ухо­да шка­лы вре­ме­ни спут­ни­ка. Пог­реш­нос­ти S/A и ухо­ды шка­лы вре­ме­ни ком­пен­си­ру­ют­ся в диф­фе­рен­ци­аль­ном ре­жи­ме пол­но-стью. Пог­реш­нос­ти вслед­ст­вие за­дер­жек сиг­на­лов в ат­мос­фе­ре за­ви­сят от иден­тич­нос­ти ус­ло­вий про­хож­де­ния сиг­на­лов к ОС и пот­ре­би­те­лю и, сле­до­ва­тель­но, от рас­сто­я­ния меж­ду ни­ми. Пол­ностью ком­пен­си­ру­ют­ся эти пог­реш­нос­ти лишь для близ­ко рас­по­ло­жен­ных ОС и пот­ре­би­те­ля. Эфе­ме­рид­ная пог­реш­ность так­же луч­-ше ком­пен­си­ру­ет­ся на не­боль­ших уда­ле­ни­ях поль­зо­ва­те­ля от ОС. По этим при­чи­нам ра­бо­чая зо­на ОС обыч­но ог­ра­ни­че­на ра­ди­у­сом в 500 км.

Обо­ру­до­ва­ние опор­ной стан­ции

Опорная станция включает в себя из-мерительный датчик GPS с антенной, процессор данных, передатчик данных с антенной и аппаратуру сопряжения (рис. 1).

Для ор­га­ни­за­ции ОС, как пра­ви­ло, при­ме­ня­ют мно­го­ка­наль­ный при­ем­ник GPS, каж­дый ка­нал ко­то­ро­го от­во­дит­ся для от­сле­жи­ва­ния од­но­го ви­ди­мо­го спут­ни­ка. При­чи­ной не­пре­рыв­но­го от­сле­жи­ва­ния каж­до­го ИСЗ яв­ля­ет­ся то, что опор­ная стан­ция до­лж­на «за­хва­ты­вать» дан­ные спут­ни­ко­вых со­об­ще­ний рань­ше, чем поль­зо­ва­тель­с­кие при­ем­ни­ки.

Пе­ре­да­ча диф­фе­рен­ци­аль­ных поп­ра­вок обыч­но ве­дет­ся в со­от­вет­ст­вии с оп­ре­де­лен­ным стан­дар­том. На­ибо­лее рас­прос­тра­нен­ным яв­ля­ет­ся стан­дарт, раз­ра­бо­тан­ный Спе­ци­аль­ным ко­ми­те­том Мор­с­кой ра­дио­тех­ни­чес­кой ко­мис­сии RTCM SC-104.

От­ме­тим, что ба­зо­вые DGPS ОС обыч­но име­ют су­щес­твен­ную сто­и­мость. Ком­па­ния ПРИН пред­ла­га­ет не­до­ро­гие стан­ции се­рии БТ/6. В них при­ме­ня­ет­ся шес­ти­ка­наль­ный при­ем­ник, име­ю­щий воз­мож­ность ра­бо­ты в ре­жи­ме из­ме­ре­ния псев­до­даль­нос­тей до 8 ИСЗ (тех­ни­чес­кие ха­рак­те­рис­ти­ки при­ве­де­ны в табл.1).

Ап­па­ра­ту­ра пот­ре­би­те­ля

Ап­па­ра­ту­ра пот­ре­би­те­ля вклю­ча­ет при­ем­ник GPS с ан­тен­ной, про­цес­сор дан­ных, а так­же ра­дио­при­ем­ник с ан­тен­ной для по­лу­че­ния диф­фе­рен­ци­аль­ных поп­ра­вок с опор­ной стан­ции (рис. 2). Про­цес­сор дан­ных вно­сит поп­рав­ки, при­ня­тые от ОС, в ре­зуль­та­ты из­ме­ре­ний при­ем­ни­ка GPS.

Ар­хи­тек­ту­ра GPS-при­ем­ни­ка мо­жет быть мно­го­ка­наль­ной или од­но/двух­ка­наль­ной, ис­поль­зу­ю­щей па­рал­лель­ный, пос­ле­до­ва­тель­ный или ско­рос­т­ной по­сле­до­ва­тель­ный (муль­тип­лек­с­ный) прин­цип слежения за спутниками. Для каж­до­го спут­ни­ка, сиг­на­лы ко­то­ро­го пос­ту­па­ют в при­ем­ник пот­ре­би­те­ля, поп­рав­ка, по­лу­чен­ная от ОС, при­бав­ля­ет­ся к ре­зуль­та­ту из­ме­ре­ния псев­до­даль­нос­ти. Са­ма поправка по­лу­ча­ет­ся как сум­ма зна­че­ний полученной поправки даль­нос­ти и ско­рос­ти из­ме­не­ния последней, ум­но­жен­ной на вре­мя, про­шед­шее с мо­мен­та при­ема поп­рав­ки до мо­мен­та из­ме­ре­ния псев­до­даль­нос­ти пот­ре­би­те­лем:
PRC(t) = PRC(t(0)) + RRC(t(0))Ч(t-t(0)),
где PRC(t) — под­ле­жа­щая вне­се­нию поп­рав­ка,
PRC(t(0)) — поп­рав­ка псев­до­даль­нос­ти, пе­ре­да­ва­е­мая в со­об­ще­нии,
RRC — поп­рав­ка псев­дос­ко­рос­ти (ско-­рос­ти из­ме­не­ния поп­рав­ки), пе­ре­да­ва­е­мая в со­об­ще­нии,
t(0) — вре­мен­ная при­вяз­ка поп­рав­ки,
t — вре­мя из­ме­ре­ния при­ем­ни­ком по­тре­би­те­ля.

На­зна­че­ние, со­став и возможнос­ти опор­ных стан­ций БТ/6С и БТ/6М

Опор­ная стан­ция се­рии БТ/6 пред­на­зна­че­на для оп­ре­де­ле­ния и вы­да­чи пот­ре­би­те­лям зна­че­ний диф­фе­рен­ци­аль­ных поп­ра­вок, удов­лет­во­ря­ю­щих стан­дар­ту RTCM, в ре­аль­ном мас­шта­бе вре­ме­ни. 

Опор­ная стан­ция се­рии БТ/6 со­сто­ит из сле­ду­ю­щих ос­нов­ных час­тей:

• ан­тен­на GPS,
• дат­чик-из­ме­ри­тель GPS,
• IBM PC со­вмес­ти­мый компь­ютер, на ко­то­ром вы­пол­ня­ет­ся спе­ци­а­ли­зирован­ное про­грам­мное обес­пе­че­ние,
• блок пи­та­ния,
• со­еди­ни­тель­ные ка­бе­ли.

Пос­тав­ля­ют­ся 2 ва­ри­ан­та БТ/6.

1. БТ/6С — про­грам­мное обес­пе­че­ние, пред­на­зна­чен­ное для ус­та­нов­ки на IBM PC со­вмес­ти­мый компь­ютер об­ще­го на­зна­че­ния. В этом слу­чае пе­ре­чис­лен­ные час­ти ОС кон­струк­тив­но вы­пол­не­ны в ви­де от­дель­ных бло­ков. За­щи­та про­грам­мно­го обес­пе­че­ния от не­сан­кци­о­ни­ро­ван­но­го до­сту­па осу­щес­твля­ет­ся с по­мощью клю­ча, сде­лан­но­го в ви­де за­глуш­ки, «про­зрач­ной» для пе­ча­та­ю­ще­го ус­трой­ст­ва, встав­ля­е­мой в разъ­ем ин­тер­фей­са Centronics (па­рал­лель­ный порт).
2. БТ/6М — ус­трой­ст­во, объ­еди­ня­ю­щее в гер­ме­тич­ном кор­пу­се ан­тен­ну GPS, за­щит­ный эк­ран, слу­жа­щий для умень­ше­ния мно­го­лу­че­во­го эф­фек­та, дат­чикиз­ме­ри­тель се­рии SVeeSix фир­мы Trimble Navigation, про­мыш­лен­ный компь­ю-тер MicroPC фир­мы Octagon Systems и со­еди­ни­тель­ную пла­ту, со­дер­жа­щую блок пи­та­ния и ин­тер­фей­с­ные уз­лы

БТ/6М (рис. 3) пред­на­зна­ча­ет­ся для раз­вер­ты­ва­ния ОС в пол­евых ус­ло­ви­ях, при от­сут­ст­вии по­ме­ще­ния, пригод­но­го для ус­та­нов­ки компь­юте­ра об­ще­го на­зна­че­ния. Бла­го­да­ря гер­ме­тич­но­му ис­пол­не­нию эк­с-плу­а­та­ция дан­но­го ус­трой­ст­ва воз­мож­на в са­мых не­бла­гоп­ри­ят­ных по­год­ных ус­ло­ви­ях. В БТ/6М не при­ме­ня­ют­ся но­си­те­ли с дви­жу­щи­ми­ся эле­мен­та­ми (дис­ко­во­ды), что по­вы­ша­ет его ус­той­чи­вость к виб­ра­ци­он­ным воз­дей­стви­ям в про­цес­се пе­ре­воз­ки. Во вре­мя ра­бо­ты БТ/6М пос­то­ян­но кон­тро­ли­ру­ет на­пря­же­ние пи­та­ния и при умень­ше­нии его до 10 вольт на­чи­на­ет пе­ри­о­ди­чес­кую вы­да­чу зву­ко­во­го сиг­на­ла на­ря­ду с тек­сто­вым со­об­ще­ни­ем в ка­нал свя­зи.

Оба ва­ри­ан­та БТ/6 не тре­бу­ют на­блю­де­ния опе­ра­то­ра по окон­ча­нии про­ве­де­ния пус­ко­вых ра­бот пос­ле ус­та­нов­ки ан­тен­ны на но­вом мес­те. Воз­мож­но так­же при­ме­не­ние ре­жи­ма ав­то­ма­ти­чес­ко­го мес­то­оп­ре­де­ле­ния, при ко­то­ром ни­ка­кое вме­ша­тель­ст­во не тре­бу­ет­ся и об­слу­жи­ва­ние сис­те­мы мо­жет про­из­во­дить­ся не­ква­ли­фи­ци­ро­ван­ным пер­со­на­лом (толь­ко под­дер­жа­ние пи­та­ния). Как БТ/6С, так и БТ/6М пред­ус­мат­ри­ва­ют воз­мож­ность уп­рав­ле­ния из уда­лен­но­го пун­к­та. ●

С. И. Голубев — менеджер,
М.А. Качалин — ведущий программист.
Отдел перспективных разработок АО ПРИН

© СТА-ПРЕСС, 2025