Мир спутниковой навигации претерпевает кардинальные изменения с быстрым развитием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) с множеством созвездий. На данный момент уже просматривается более 70 спутников, и около 120 спутников будут доступны после того, как все четыре системы (BeiDou + Galileo + ГЛОНАСС + GPS) будут полностью развернуты в течение следующих нескольких лет. Это принесет большие возможности и проблемы как для научных, так и для инженерных приложений. В этой статье мы разрабатываем модель позиционирования из четырех систем, чтобы в полной мере использовать все имеющиеся наблюдения из разных ГНСС. Значительное улучшение видимости спутника, пространственной геометрии, разбавления точности, сходимости, точности, непрерывности и надежности, которые комбинированное использование мульти- ГНСС обеспечивает точное позиционирование, тщательно анализируются и оцениваются, особенно в стесненных условиях.
За последние десятилетия Глобальная система определения местоположения (GPS), как первая космическая радионавигационная система, состоящая из выделенной спутниковой группировки, внесла значительный вклад в научные приложения (например, геодезия, дистанционное зондирование, космос и фундаментальная физика) и инженерные услуги (например, геодезия, навигация и синхронизация) 1,2. В настоящее время, благодаря двум новым и появляющимся созвездиям (BeiDou, Galileo), а также восстановлению российского ГЛОНАСС, мир спутниковой навигации претерпевает кардинальные изменения с превосходным потенциалом для расширенных и более точных и надежных приложений и услуг ГНСС 4.
Созвездие ГЛОНАСС полностью восстановлено с октября 2011 года и в настоящий момент работает на полную мощность с 24 спутниками на орбите, что обеспечивает полный глобальный охват. Европейская Galileo является третьей ГНСС, целью которой является предоставление непрерывного, более гибкого и точного сервиса позиционирования с полным набором связанных параметров и услуг для всех диапазонов пользователей. В данный момент он находится в фазе проверки на орбите (IOV). В рамках этого этапа четыре спутника IOV были запущены и находятся на орбите. 22 августа 2014 года были запущены два спутника FOC (с полной эксплуатационной способностью), но с неверными параметрами орбиты. Полное созвездие Галилео будет состоять из 30 спутников в трех орбитальных плоскостях, включая три запасных на орбите. Навигационная спутниковая система BeiDou, создаваемая независимо в Китае, неуклонно движется к своему конечному пункту назначения — оперативная глобальная навигационная спутниковая система включает в себя 5 GEO (геостационарная орбита Земли), 3 IGSO (наклонная геосинхронная орбита) и 27 MEO (Спутники со средней околоземной орбитой) к 2020 году. Двухфазный график позволяет его быстрому появлению благодаря оперативным службам в Азиатско-Тихоокеанском регионе. Первый этап состоит из пяти спутников в GEO на высоте 35 786 км, пяти в IGSO на высоте 35 786 км, а также с наклоном 55 ° к экваториальной плоскости и четырех в MEO на высоте 21 528 км и 55 °. наклон к экваториальной плоскости. Этот этап был завершен к концу 2012 года. Следовательно, региональные службы определения местоположения и навигации могут быть оперативно предоставлены пользователям во всем Азиатско-Тихоокеанском регионе5,6. На данный момент 74 спутника уже видны и передают данные по сравнению с прошлыми годами только с 32 GPS. Как только все четыре системы будут полностью развернуты, пользователям ГНСС будет доступно около 120 навигационных спутников. Несомненно, быстрое развитие мультис созвездия ГНСС может обеспечить более широкий спектр более точных приложений, например, для позиционирования, навигации, синхронизации и дистанционного зондирования7.
Рис. 1. Распределение мульти- ГНСС станций из сетей MGEX и BETN
Чтобы оценить точные характеристики позиционирования с использованием существующей мульти-созвездной ГНСС, мы проанализировали 100-дневные данные сетей MGEX и BETN8 (BeiDou Experimental Tracking Network) с 1 сентября по 9 декабря (день с 244 по 343) в 2013 году. Рисунок 1 показывает распределение сетей MGEX и BETN, которое включает в себя станции по всему миру.
Чтобы в полной мере использовать имеющиеся на данный момент ГНСС, мы разработали модель четырехсистемного позиционирования BeiDou + Galileo + GLONASS + GPS, чтобы полностью использовать все имеющиеся в настоящее время наблюдения ГНСС. Получив данные с несколькими ГНСС из наземных сетей слежения MGEX и BETN, мы сначала полностью проанализировали и сравнили видимость, PDOP, SNR и MPC различных созвездий с реальными данными. Затем выполняется точное позиционирование, и результаты показывают, что добавление систем BeiDou, Galileo и ГЛОНАСС к стандартной обработке только GPS значительно сокращает время конвергенции и повышает точность позиционирования. Между тем, серии позиционирования мульти-PPP намного более стабильны, чем решения только для GPS, с гораздо меньшими и меньшими колебаниями. Некоторые всплески, появившиеся в односистемных решениях, могут быть легко решены при совместном использовании наблюдений с несколькими ГНСС. Точность и надежность PPP только для GPS резко снижается при увеличении угла отсечки, особенно в кинематических приложениях. Тем не менее, на точность мульти-РРР явно не влияет высокая высота среза, и достигаются несколько сантиметров даже при высоте среза 40°. В кинематической мульти-PPP вертикальная точность постепенно уменьшается с увеличением угла места среза, но она намного лучше, чем у односистемных решений.
Слияние нескольких ГНСС может значительно увеличить количество наблюдаемых спутников, оптимизировать пространственную геометрию и улучшить сходимость, точность, непрерывность и надежность точного позиционирования. В частности, возможность высокого уровня отсечки multi-ГНСС значительно увеличит его применимость в стесненных условиях, таких как, например, в городских каньонах, открытых карьерах или при наличии серьезных многолучевых или ионосферных сцинтилляций на небольшой высоте. В последовательных исследованиях данные трехчастотного наблюдения должны быть полностью использованы для дальнейшего улучшения характеристик мульти-ГНСС. Кроме того, мульти-ГНСС не только расширяет возможности применения точного позиционирования, но также предлагает увеличенное количество сигналов для дистанционного зондирования на основе ГНСС в качестве тропосферного / ионосферного зондирования с использованием наземных и спутниковых методов (радиопокрытия) с многочисленными применениями в науке об атмосфере и оперативный прогноз погоды и космической погоды9.
Литература:
- Larson, K., Bodin, P. & Gomberg J. Using 1-Hz GPS data to measure deformations caused by the Denali fault earthquake. Science 300, 1356–1359(2003).
- Alfonsi, L. et al. Comparative analysis of spread-F signature and GPS scintillation occurrences at Tucuma' n, Argentina. J. Geophys. Res. Space Physics 108, 4381–4416 (2013).
- Li, X. et al. New approach for earthquake/tsunami monitoring using dense GPS networks. Sci. Rep. 4, 2573 (2013).
- Montenbruck, O. et al. IGS-MGEX: preparing the ground for multi-constellation GNSS science. Inside GNSS, 8, 36–41 (2014).
- Yang, Y. et al. Contribution of the Compass satellite navigation system to global PNT users. Chinese Science Bulletin 62, 2742–2768 (2011).
- China Satellite Navigation Office, BeiDou Navigation Satellite System Signal in Space Interface Control Document. Доступно онлайн: http://gge.unb.ca/test/beidou_icd_english.pdf, (2012) Дата: 01/09/2014.
- Ge, M., Zhang, H. P., Jia, X. L., Song, S. L. & Wickert, J. What Is Achievable with the Current COMPASS Constellation? GPS World 6, 19–24 (2012).
- Dach, R., Schaer, S. & Hugentobler, U. Combined multi-system GNSS analysis for time and frequency transfer, 423–477 (2006).
- Melgard, T. et al. G2-the first real-time GPS and GLONASS precise orbit and clock service. Proc. of ION GNSS-2009 7, 1742–1793 (2009).
