Причини похибок у GPS моніторингу

Практичне застосування однієї з найвидатніших сучасних розробок - системи глобального позиціонування GPS (Global Positioning System), точність визначення місцезнаходження об'єкта залежить від ступеня похибки, що виникає при вимірі відстаней від терміналу до супутників. Від ступеня впливу цілого ряду факторів залежить, наскільки точно буде визначено розташування GPS-приймача, ця похибка становитиме один метр або десяток, а то й сотню метрів.

До факторів, які безпосередньо впливають на ступінь похибки, можна віднести такі:

спеціальна похибка (SA);
Якість геометрії супутників;
Гравітаційні впливи;
Вплив іоносфери;
Вплив тропосфери;
Відображення сигналів;
Відносність виміру часу;
Округлення та обчислювальні помилки

Даний фактор є штучною похибкою, навмисним спотворенням часу сигналу, що посилається супутником, в результаті чого точність визначення розташування об'єкта приладом GPS знижувалася до 50-150 метрів. Похибка штучно вносилася у сигнали супутників відповідно до вимог режиму SA – selective availability (селективного доступу), завданням якого було обмежити точність вимірювань для цивільних приймачів GPS.

Причина створення "спеціальної похибки" полягала у забезпеченні державної безпеки США. У момент організації та розвитку система глобального позиціонування GPS була виключно військовою розробкою, покликаною забезпечити потреби силових структур. Лише з часом навігаційна система отримала комерційне застосування, можливість визначати місцезнаходження з'явилася і в цивільних осіб. Крімвиключно мирних цілей система позиціонування могла бути використана для різних зловмисних дій, які становили б пряму загрозу для безпеки. Так, терористичні організації отримали б можливість використовувати GPS для визначення місцезнаходження стратегічних об'єктів та точного наведення дистанційної зброї.

Режим селективного доступу все-таки було відключено через широку поширеність системи глобального позиціонування, відбулося це у травні 2000 року, і рішення про це ухвалив особисто президент США. Подія стала ключовою в історії розвитку GPS-навігації, ще б пак – адже з цього моменту для приватних комерційних підприємств та простих громадян відкрилися нові горизонти використання системи точного визначення координат. З моменту відключення режиму SA точність показань приладів зросла з 50-100 метрів до 6-7 метрів. Передумовою до повного відключення послужило часткове відключення, розпочате 1990 року, під час війни у ​​Перській затоці. Тоді армії США не вистачало своїх штатних приймачів, що дозволяли орієнтуватися в пустелі, і було закуплено близько 10 тис. одиниць навігаторів «громадянського» призначення.

Ще одним фактором, що впливає на точність показань GPS-приймача, є якість геометрії супутників – характер взаємного розташування супутників щодо приймача. Точність розташування безпосередньо залежить від кількості супутників у «зоні видимості» приладу, а також від того, як ці супутники розподілені на небосхилі. Всі розрахунки побудовані не тільки на визначенні відстані як такої, але і на перетині прямих, утворених відстанями від приймача GPS до кожного видимого супутника. Саме ці перетину формують зону ймовірного знаходження об'єкта, і чим ширша зона,тим нижче точність визначення.

Оптимальним варіантом виміру вважається співвідношення відстаней від терміналу до чотирьох супутників одночасно, для створення подібних умов у будь-якій точці земної кулі по орбіті Землі кружляють 28 супутників. Супутники поступово розподілені орбітою на висоті 20350 км. Для високої точності вимірювання необхідно, щоб супутники, перебуваючи в межах видимості приладу, були рознесені на максимально можливу відстань. Якщо ж всі чотири супутники будуть розташовані, наприклад, тільки на північному заході щодо приладу, не виключений варіант, що визначити місце розташування буде неможливо, або точність визначення буде незадовільною (100 - 150 м). Область можливого розташування приладу (перетину прямих) буде дуже значною, що негативно позначиться на точності.

Особливо важливою якість геометрії супутників є при розміщенні приймача GPS у місцевості, де супутники можуть бути заслонені природними або штучними перешкодами. Це можуть бути гори, ущелини, висотні будівлі, в такій місцевості важлива кількість супутників, які прилад може засікти одночасно, чим менше супутників виявляється в межах видимості, тим нижчою є точність позиціонування. У той час як один або кілька супутників залишаються прихованими, або сигнал якогось із супутників заблокований, система робить спроби визначити положення за допомогою інших супутників.

Існує система оцінки якості геометрії супутників, яка використовується виробниками навігаційних GPS-приладів, яка характеризує рівень втрати точності безпосередньо через розташування супутників. Показник DOP (Delution of Precision – зниження точності), враховує кількість видимих ​​супутників у певний момент часу тарозташування супутників щодо один одного.

Крім універсального показника DOP застосовуються його модифікації:

PDOP - цей показник враховує зниження точності позиціонування без урахування можливих похибок при визначенні часу;
GDOP - враховує зниження точності з урахуванням тимчасових похибок;
HDOP – враховує лише горизонтальну точність визначення становища;
VDOP – показник враховує лише вертикальну точність;
TDOP – облік точності часу

Користувачами приладів використовується загальне правило – що вище значення показників DOP, то нижча точність визначення. Крім того, на якість геометрії супутників впливає широта, на якій знаходиться приймач, а також близькість до одного із полюсів Землі (вплив атмосфери).

Рух супутників, що забезпечують роботу системи GPS, за своїми орбітами є досить стабільним, проте трапляються деякі відхилення. Причиною цих відхилень є гравітаційне поле космічних об'єктів – Сонця та Місяця. Для подолання подібних впливів дані про поточну орбіту безперервно коригуються та відправляються до приймачів вже у обробленому вигляді. Але, незважаючи на вжиті заходи, гравітаційні впливи все ж таки призводять до похибок у вимірі розташування, такі похибки можуть призводити до втрати точності визначення до 2 метрів.

Фактором, який має суттєвий вплив на точність обчислень, є різниця у швидкості проходження сигналу від супутника у космосі та різних шарах атмосфери. Тож якщо у відкритому космосі швидкість сигналу дорівнює швидкості світла, то тропосфері, соціальній та іоносфері ця швидкість є нижчою.

На висоті від 80 до 100 км від Землі внаслідок впливуенергії Сонця сконцентровано значну кількість позитивно заряджених іонів. У шарах іоносфери сигнали від супутників, що є електромагнітними хвилями, заломлюються, за рахунок чого збільшується час їх проходження через ці шари. Для подолання впливу цього фактора використовуються коригувальні обчислення, що проводяться самим приймачем, оскільки можливі швидкості проходження сигналу через різні шари іоносфери добре вивчені.

Але все ж таки GPS термінали (gps-трекери), призначені для цивільного використання, не в змозі виконувати коригування у разі непередбачених змін, які можуть бути викликані сонячними вітрами. Приймачі, розроблені для потреб армії, приймають два види сигналів із різною частотою, відповідно – з різною швидкістю проходження в іоносфері. Тому різниця в часі їхнього прибуття дозволяє скоригувати похибку, що виникає при обчисленнях швидкості проходження сигналів через іоносферу.

При проходженні сигналу через тропосферу виникають спотворення, викликані погодними факторами, а саме різною концентрацією водяної пари. Передбачити рівень концентрації пари настільки ж складно, як важко передбачати погоду, тому внести корекцію методом обчислень вкрай проблематично. З іншого боку, величина похибки, викликана особливостями проходження сигналу через тропосферу помітно нижче за вплив іоносфери, тому використовується приблизна поправка.

Однак дані супутників, які розташовані під кутом менше 10° до горизонту, не включаються до вимірювань саме з цієї причини, оскільки викривлення досить високі. Точніше налаштувати приймачі дозволяють погодні карти різних регіонів. Геостаціонарні системи навігаційного покриття WAAS (Америка) таEGNOS (Європа) надсилають скориговані сигнали для приймачів, які підтримують диференційовані поправки, ці дані помітно покращують точність позиціонування.

Великі об'єкти, що знаходяться на шляху сигналу – висотні будинки та інші об'єкти, часто стають причиною його відображення, яке приймається терміналом GPS разом із прямими сигналами. Це призводить до спотворення дальності, оскільки відбитому сигналу потрібно більше часу, щоб досягти приймача, похибка в результаті відображення може становити кілька метрів.

Також на заваді супутникових вимірів можуть стати досить потужні джерела випромінювань – радіостанції, локатори, тощо.

Сенс чергового чинника, що впливає похибка у вимірах координат положення об'єкта, полягає у твердженнях теорії відносності. Зокрема, згідно з цією теорією, при більш високих швидкостях час тече повільніше. Супутник рухається орбітою зі швидкістю близько 12 тис. км/год., а вже за швидкості 3874 км/год. час для об'єкта, що рухається, тече повільніше, ніж для нерухомого об'єкта (на Землі). Різниця в часі (сигнали про точний час відправляються із супутника у складі загального пакету даних) становить 7,2 мікросекунди на день. Втім, похибка, спричинена цим чинником, є незначною порівняно з наступним твердженням тієї самої теорії відносності.

Теорія відносності також свідчить про те, що час залежить від сили гравітації – чим сильніше гравітаційне поле, тим повільніше рухається час. Тобто, щодо об'єкта, який знаходиться на землі, годинник супутника йтиме швидше, оскільки останній піддається помітно меншим гравітаційним впливам. Даний ефект міг би призвести до відхилень на 38 мікросекунд на день, щодорівнювало б помилок у розрахунках на 10 км. Для нейтралізації подібних ефектів немає необхідності вносити постійні коригування та проводити додаткові обчислення, натомість було вирішено привести частоту годин на супутниках до певного значення.

Ще один ефект, який враховується при вимірюваннях GPS тільки в особливих випадках, відома як «ефект Сагнака». Загальний сенс явища полягає в тому, що об'єкт, що знаходиться на Землі в нерухомому стані, пересувається зі швидкістю близько 500 км/год (швидкість обертання Землі). Явище призводить до певних спотворень і від напряму руху об'єкта, для корекції необхідні досить складні обчислення. Спотворення є незначними, хоча в деяких випадках при вимірах береться до уваги і цей фактор.

У той момент, коли приймачем GPS виконуються обчислення розташування, дані про час (термінал) синхронізуються з даними про час на супутнику. Проте округлення, вироблені приймачем при обчисленнях, є причиною похибки, яка коливається не більше 1 м.

p align="justify"> Резюмуючи інформацію, викладену в даній статті, ми наводимо таблицю, в якій фактори, що призводять до спотворення розрахунків, відображені у вигляді приблизної відстані похибки визначення координат.

Причини похибок	Відстань (метри)
Гравітаційні впливи	2,5
Вплив іоносфери	5
Впливи тропосфери	0,5
Відображення сигналів	1
Відносність вимірювання часу	2
Округлення у обчисленнях	1

У сумі всі причини, що впливають на точність визначення місцезнаходження об'єкта, становлятьпохибка приблизно 15 метрів. До відключення режиму селективного доступу SA похибка становила до 100 метрів. На зменшення похибки суттєво впливають відкориговані дані систем WAAS та EGNOS, що дозволяють скоротити вплив тропосфери, гравітаційні впливи, що призводять до помилок визначення супутникової орбіти. Таким чином, похибка додатково може бути зменшена ще на 3-5 метрів.

---