Информация о разнице между показаниями штатных одометров и спутниковых навигаторов.

Наличие расхождений между показаниями штатного одометра и данных GPS/ГЛОНАСС - одометра могут служить поводом для возникновения конфликтных ситуаций. Настоящая статья призвана прояснить основные причины возникновения подобных расхождений в показаниях приборов.

Одометр — прибор для измерения количества оборотов колеса. При помощи него может быть измерен пройденный путь транспортным средством. Одометр преобразует пройденный путь в показания на индикаторе. Обычно одометр состоит из счётчика с индикатором и датчика, связанного с вращением колеса. Видимая часть одометра — его индикатор. Механический индикатор содержит ряд колёсиков (барабанов) с цифрами на приборной доске автомобиля. Каждое такое колёсико разделено на десять секторов, на каждом секторе написано по цифре. По мере увеличения пройденного пути транспортным средством колёсики вращаются, образуя число, обозначающее пройденную дистанцию.

Счётчик может быть механическим, электромеханический или электронным, в т.ч. основанным на бортовой электронно-вычислительной техники. Для каждого из вышеперечисленных видов прибора установлены свои параметры и погрешности.

Прежде всего, отметим, что бортовые одометры всех видов не относятся к классу точных приборов. Для каждого вида данных приборов установлены допустимые погрешности. Здесь необходимо сделать важные замечания: во-первых, данные погрешности установлены только для самих приборов, все конструктивные изменения, а так же физический износ некоторых узлов автомобиля в эту погрешность не включены, во-вторых, по техническим требованиям спидометры не могут занижать показания, поэтому и одометр конструктивно связанный со спидометр так же как правило, дает незначительно, но завышенные показания.

Спортивный одометр без какой-либо калибровки завышает скорость и расстояния на 3.5 %, что и требуется согласно международной конвенции о дорожном движении и ГОСТ 12936-82 , ГОСТ 1578-76, ГОСТ 8.262-77. На обычные одометры таких стандартов не существует (они никогда не разрабатывались, в силу отсутствия требований по точности данных приборов).

Погрешность штатного спидометра - величина, рассчитанная опытным путем на заводе изготовителе автомобиля. О размерах погрешностей разных типов одометров написано ниже.

Механический одометр имеет собственную погрешность до 5%. В зависимости от условий эксплуатации транспортного средства, износа узлов и агрегатов, использования нештатных запчастей суммарная погрешность прибора может достигать 12%-15%.

Электромеханические одометры - основаны на показаниях электронного измерителя числа импульсов от датчика скорости, т.е. показания прибора пропорциональны числу импульсов за единицу времени. Эти приборы несколько точней механических, но все же, погрешность 5-7% у них случается, ведь они избавились лишь от слабых мест самой механики (люфтов, капризов троса, катушки, возвратной пружинки т.п.).

Полностью электронные одометры совершенней электромеханических, за счет улучшенного механизма контроля вращения ведущего колеса. В тоже время сам принцип контроля пройденного пути остается неизменным, и даже точная электроника находится в зависимости от состояния ходовой части автомобиля. Суммарная погрешность данных приборов редко превышает 5% в случае если проводится дополнительная калибровка на тестовом участке пути (на заводе-изготовителе эта процедура не происходит).

Реально, на точность измерения пройденного автомобилем расстояния любым одометром влияет большое число внешних факторов:

Высота колеса. Разница в высоте протектора в 1 см, например, даст на 60 км пробега автомобиля разницу в пробеге в 1,177 км. (несложно проверить, вооружившись калькулятором и формулами геометрии из курса средней школы - примем диаметр одного колеса в 1 м, второго - 1.02 м. Первое совершит 19.108 оборотов, второе - 18.733. Каждый оборот - 3.14 м, разница - 1177 м). И эту разницу мы получаем только при одном сантиметре! Поэтому одометр на автомобиле со стёртым протектором покажет большее значение по сравнению с периодом, когда автомобиль ездил на новых шинах. Ещё важно знать на какой тип колёс рассчитан одометр, если поставить другой тип колёс по диаметру то будут совсем другие данные по скорости и пройденному пути относительно реальных, так как и спидометр и одометр считают количество оборотов колеса и калькулируют с данными о диаметре колеса заложенными заводом производителем.

Колеса отличаются по диаметру: 315/70 и 315/80, например, дадут сразу разницу в диаметре в 6.3 см. со всеми вытекающими последствиями и погрешностями.

Загрузка авто - При полной или чрезмерной загрузке автомобиля, шина проминается по-разному, отсюда изменяется диаметр колеса и соответственно имеем качество погрешности описанное выше.
Давление в шинах - шина проминается по разному при штатном и нештатном давлении.

Скольжение колес по дороге - рассуждая логически, при пробуксовках, скольжениях, или же наоборот -торможении на льду, автомобиль или находится на месте при вращении колес, либо наоборот - движется при стопоре колес.

Система мониторинга транспорта на основе GPS/ГЛОНАСС навигации работает следующим образом. Модуль GPS/ГЛОНАСС определяет данные о своем местонахождении, а затем при помощи мобильной связи по каналам Internet отсылает эти данные на сервер, где они хранятся, обрабатываются с электронными картами, и выстраивается картина передвижения транспортного средства. При этом совершенно не важно, с какой скоростью передвигается автомобиль с блоком. Основной принцип использования системы — определение местоположения путём измерения расстояний до объекта от точек с известными координатами — спутников. Расстояние вычисляется по времени задержки распространения сигнала от посылки его спутником до приёма антенной GPS/ГЛОНАСС - приёмника. То есть, для определения трёхмерных координат GPS/ГЛОНАСС - приёмнику нужно знать расстояние до трёх спутников и время GPS/ГЛОНАСС системы. Таким образом, для определения координат и высоты приёмника, используются сигналы как минимум с четырёх спутников.

Важную роль играет и просчет получаемых координат, который позволяет уменьшить возможные неточности и представить точную картину передвижения транспортного средства. Учитывая точность самой системы GPS/ГЛОНАСС - навигации, а так же разного рода программные механизмы позволяющие отсечь крупные ошибки, погрешность системы мониторинга не превышаем в целом 4%. Это дает возможность максимально скорректировать данные по пробегу транспортного средства.

Общим недостатком использования любой радионавигационной системы является то, что при определённых условиях сигнал может не доходить до приёмника, или приходить со значительными искажениями или задержками. Например, практически невозможно определить своё точное местонахождение в подвале или в тоннеле. Так как рабочая частота GPS/ГЛОНАСС лежит в дециметровом диапазоне радиоволн, уровень приёма сигнала от спутников может серьёзно ухудшиться под плотной листвой деревьев или из-за очень большой облачности. Нормальному приёму сигналов GPS/ГЛОНАСС могут повредить помехи от многих наземных радиоисточников, а также от магнитных бурь. По официальным данным чистая погрешность самого навигатора находится в пределах 10-15 метров.

Также не исключены ошибки в самой системе GPS/ГЛОНАСС позиционирования.

Спутниковые системы позиционирования и навигации, изначально разрабатывавшиеся для военных нужд, в последнее время находят широкое применение в гражданской сфере. GPS/ГЛОНАСС мониторинг транспорта, наблюдение за нуждающимися в опеке людьми, контроль перемещений сотрудников, слежение за животными, отслеживание багажа , геодезия и картография – это основные направления использования спутниковых технологий.

В настоящее время существует две глобальных системы спутникового позиционирования, созданных в США и РФ, и две региональных, охватывающих Китай, страны Евросоюза и еще ряд стран Европы и Азии. В России доступен ГЛОНАСС мониторинг и GPS мониторинг.

Системы GPS и ГЛОНАСС

GPS (Global Position System, Глобальная система позиционирования) – это спутниковая система, разработка которой началась в Америке с 1977 года. К 1993 программу развернули, а к июлю 1995 – добились полной готовности системы. В настоящее время космическая сеть GPS состоит из 32 спутников: 24 основных, 6 резервных. Они вращаются вокруг Земли по средневысокой орбите (20 180 км) в шести плоскостях, по четыре основных спутника в каждой.

На земле расположена главная контрольная станция и десять станций слежения, три из которых передают спутникам последнего поколения корректировочные данные, а те распределяют их на всю сеть.

Разработка системы ГЛОНАСС (Глобальной навигационной спутниковой системы) начата еще в СССР в 1982 году. О завершении работ заявили в декабре 2015 года. Для работы ГЛОНАСС требуется 24 спутника, для покрытия территории и РФ достаточно 18, а общее число спутников, находящихся в данный момент на орбите (включая резервные) – 27. Они также движутся по средневысокой орбите, но на меньшей высоте (19 140 км), в трех плоскостях, по восемь основных спутников в каждой.

Наземные станции ГЛОНАСС расположены в России (14), Антарктиде и Бразилии (по одной), намечается развертывание ряда дополнительных станций.

Предшественником системы GPS была система Transit, разработанная в 1964 году для управления запуском ракет с подводных лодок. Она могла определить местонахождение исключительно неподвижных объектов с точностью до 50 м, а единственный спутник находился в поле видимости всего один час в сутки. Программа GPS ранее носила названия DNSS и NAVSTAR. В СССР создание навигационной спутниковой системы велось с 1967 года в рамках программы «Циклон».

Основные отличия системs мониторинга ГЛОНАСС от GPS:

• американские спутники движутся синхронно с Землей, а российские – асинхронно;
• разная высота и количество орбит;
• разный угол их наклона (около 55° для GPS, 64,8° для ГЛОНАСС);
• разный формат сигналов и рабочие частоты.

Преимущества системы GPS

• GPS – старейшая из существующих систем позиционирования, приведена в полную готовность раньше российской.
• Надежность обусловлена использованием большего числа резервных спутников.
• Позиционирование происходит с меньшей погрешностью, чем у ГЛОНАСС (в среднем 4 м, а для спутников последнего поколения – 60–90 см).
• Множество устройств поддерживает систему.

Преимущества системы ГЛОНАСС

• Положение асинхронных спутников на орбите более стабильное, что облегчает управление ими. Регулярное внесение корректив не требуется. Данное преимущество важно для специалистов, а не потребителей.
• Система создана в России, поэтому обеспечивает уверенный прием сигнала и точность позиционирования в северных широтах. Это достигается за счет большего угла наклона спутниковых орбит.
• ГЛОНАСС – это отечественная система, и останется доступной для россиян в случае отключения GPS.

Недостатки системы GPS

• Спутники вращаются синхронно вращению Земли, поэтому для точного позиционирования требуется работа корректирующих станций.
• Низкий угол наклона не обеспечивает хорошего сигнала и точного позиционирования в полярных областях и высоких широтах.
• Право управления системой принадлежит военным, а они могут искажать сигнал или вообще отключить GPS для гражданских лиц или для других стран в случае конфликта с ними. Поэтому хотя GPS для транспорта точнее и удобнее, а ГЛОНАСС – надежнее.

Недостатки системы ГЛОНАСС

• Разработка системы началась позже и до недавнего времени велась со значительным отставанием от американцев (кризис, финансовые злоупотребления, хищения).
• Неполный комплект спутников. Продолжительность службы российских спутников ниже, чем американских, они чаще нуждаются в ремонте, поэтому точность навигации в ряде областей снижается.
• Спутниковый мониторинг транспорта ГЛОНАСС дороже, чем GPS из-за высокой стоимости устройств, адаптированных к работе с отечественной системой позиционирования.
• Недостаток программного обеспечения для смартфонов, КПК. Модули ГЛОНАСС проектировали для навигаторов. Для компактных портативных устройств на сегодняшний день более распространенный и доступный вариант – это поддержка GPS-ГЛОНАСС или только GPS.

Резюме

Системы GPS и ГЛОНАСС являются взаимодополняемыми. Оптимальное решение – это спутниковый GPS-ГЛОНАСС мониторинг. Устройства с двумя системами, например, GPS-маркеры с ГЛОНАСС-модулем «М-Плата» обеспечивают высокую точность позиционирования и уверенную работу. Если для позиционирования исключительно по ГЛОНАСС погрешность в среднем составляет 6 м, а для GPS – 4 м, то при использовании двух систем одновременно она снижается до 1,5 м. Но такие приборы с двумя микрочипами стоят дороже.

ГЛОНАСС разработана специально для российских широт и потенциально способна обеспечить высокую точность, из-за ее недоукомплектованности спутниками реальное преимущество пока на стороне GPS. Плюсы американской системы – это доступность и широкий выбор устройств с поддержкой GPS.

Статья о системах ГЛОНАСС и GPS: характеристики спутниковых систем, их особенности и сравнительный анализ. В конце статьи - видео о принциах работы GPS и ГЛОНАСС.

Сейчас сферы влияния поделены между российской ГЛОНАСС, американской GPS (Global Positioning System) и понемногу набирающей обороты китайской BeiDou. Выбор системы для собственного автомобиля может обуславливаться патриотическими мотивами, а может основываться на грамотном взвешивании преимуществ и недостатков этих разработок.

Основы спутниковой связи

Предназначение каждой спутниковой системы – определение точного местонахождения какого угодно объекта. В контексте автомобиля эта задача осуществляется посредством специального устройства, помогающего установить координаты на местности, известного как навигатор.

Спутники, взаимодействующие с конкретной навигационной системой, отправляют ей персональные сигналы, отличные друг от друга. Для четкого определения пространственных координат навигатору достаточно информации от 4 спутников. Таким образом, это не простой автомобильный гаджет, а один из элементов сложного механизма космического позиционирования.

При движении автомобиля координаты непрерывно изменяются. Поэтому навигационная система устроена так, чтобы через некие равные промежутки времени обновлять получаемые данные и заново пересчитывать расстояние.

Преимущество современных систем в том, что они обладают способностью запоминания схемы расположения спутников даже в выключенном состоянии. Это значительно повышает эффективность прибора, когда нет необходимости каждый раз заново отыскивать орбиту спутника. Для автомобилистов, регулярно обращающихся к навигатору, разработчики предусмотрели функцию «горячего старта» - максимально быстрой связи устройства со спутником. При редком использовании навигатора старт будет «холодным», то есть, в этом случае соединение со спутником будет более длительным, занимающим от 10 до 20 минут.

Создание систем

Хотя первым спутником Земли была советская разработка, вначале родилась именно американская GPS . Ученые обратили внимание на перемены в спутниковых сигналах, зависящие от его перемещения по орбите. Тогда они задумались над методикой расчета не только координат самого спутника, но и привязанных к нему земных объектов.

В 1964 году заработала исключительно военная навигационная система под названием TRANZIT, ставшая первой в мире разработкой такого уровня. Она способствовала запуску ракет с подводных лодок, но точность расположения объекта рассчитывала только на расстоянии 50 метров. К тому же объект этот должен был оставаться абсолютно неподвижным.

Стало понятно, что первый и на тот момент единственный в мире навигатор не справляется с задачей постоянного определения координат. Это происходило от того, что проходя по низкой орбите, спутник мог подавать сигналы на Землю только в течение часа.

Следующая, модернизированная версия появилась спустя 3 года вместе с новым спутником Тиматионом-1 и его собратом Тиматионом-2. Совместно они поднялись на более высокую орбиту и объединились в единую систему, названую «Навстар». Начинала она так же, как военная разработка, но затем было принято решение сделать ее общедоступной для нужд гражданского населения.

Эта система функционирует до сих пор, насчитывая в своем арсенале 32 спутника, обеспечивающих полное покрытие Земли. Еще 8 аппаратов имеются в резерве на некий непредвиденный случай. Двигаясь на существенном расстоянии от планеты по нескольким орбитам, спутники завершают оборот почти за сутки.

Над отечественной системой ГЛОНАСС начали работать еще во времена Союза - мощной державы, обладающей выдающимися научными умами. Выведение на орбиту искусственного спутника запустило проектировочные работы системы позиционирования.

Первый советский спутник 1967 года рождения должен был стать единственным, достаточным для расчета координат. Но скоро в космосе появилась целая оборудованная радиопередатчиками система, известная населению как Цикада, военные называли ее Циклоном. Ее задачей стало определение терпящих бедствие объектов, чем она и занималась вплоть до появления ГЛОНАССа в 1982 году.

Советский Союз был разрушен, страна находилась в бедственном положении и не могла изыскать резервы для доведения до ума высокотехнологичной системы. Вся система включала в себя 24 спутника, но из-за финансовых трудностей почти половина из них не функционировала. Поэтому в то время, в 90-х годах, ГЛОНАСС даже близко не могла конкурировать с GPS.

На сегодняшний день российские разработчики намерены догнать и обогнать американских коллег, что уже подтверждает более быстрое обращение вокруг Земли наших спутников. Пусть исторически российская спутниковая система ощутимо отставала от американской, из года в год этот отрыв сокращается.

Преимущества и недостатки

На каком уровне сейчас обе системы? Какую из них предпочесть рядовому обывателю для своих житейских задач?

По большому счету, многим гражданам безразлично, какую именно спутниковую навигацию использует его техника. Они обе доступны без ограничений и взимания платы всему гражданскому населению, в том числе для использования в автомобиле. Если смотреть с технической точки зрения, то шведская спутниковая компания официально заявила о достоинствах ГЛОНАСС, намного качественнее работающей в северных широтах.

Спутники GPS практически не появляются севернее 55-й параллели, а в южном полушарии, соответственно, южнее. Тогда как при угле наклона в 65 градусов и высоте нахождения в 19,4 тыс.км спутники ГЛОНАСС поставляют отличные, стабильные сигналы в Москву, Норвегию и Швецию, что так оценили зарубежные специалисты.

Хотя обе системы имеют большое количество спутников во всех орбитальных плоскостях, другие эксперты все же отдают пальму первенства GPS. Даже при активной программе усовершенствования российской системы на данный момент американцы имеют 27 спутников против 24 российских, что дает большую четкость их сигналам.

Достоверность сигналов ГЛОНАСС составляет 2,8 м по сравнению с 1,8 м у GPS. Однако эта цифра достаточно усреднена, потому что спутники могут выстроиться на орбите таким образом, что показатель погрешности возрастет в несколько раз. Причем такая ситуация может постичь обе спутниковые системы.

По этой причине производители стараются оснастить свои устройства двухсистемной навигацией, принимающей сигналы и GPS, и ГЛОНАСС.

Немаловажную роль играет качество наземного оборудования, получающего и расшифровывающего получаемые данные.

Если говорить о выявленных недостатках обеих навигационных систем, их можно распределить следующим образом:

ГЛОНАСС:

• смена небесных координат (эфемерид) приводит к неточности определения координат, достигающей 30 метров;
• достаточно частое, хотя и кратковременное прерывание сигнала;
• ощутимое влияние особенностей рельефа на четкость получаемых данных.

GPS:

• получение ошибочного сигнала вследствие многолучевой интерференции и атмосферной нестабильности;
• существенное отличие гражданской версии системы, имеющей слишком ограниченные возможности по сравнению с военной разработкой.

Двухсистемность

В общей сложности на орбите постоянно крутится более пяти десятков спутников обеих мировых держав. Как уже было сказано, для получения достоверных координат достаточно хорошего «обзора» 4 спутников. На ровном пространстве, в степи или в поле, любой приемник сумеет зафиксировать одновременно до десятка сигналов, тогда как в лесу или горной местности связь стремительно исчезает.

Таким образом, цель разработчиков состоит в том, чтобы каждое принимающее устройство было способно связываться с максимальным количеством спутников. Это снова возвращает к идее совмещения ГЛОНАСС и GPS, что уже практикуют в Америке для служб спасения. Как бы ни складывались отношения государств, человеческая жизнь превыше всего, а двухсистемный чип с большей скоростью и четкостью определит местоположение попавшего в беду человека.

Такой синтез избавит и автомобилистов от неспособности сориентироваться в незнакомой местности из-за того, что навигатор слишком медленно налаживает соединение и слишком долго обрабатывает информацию. Причиной тому служит потеря спутника из-за банальных помех: высокого здания, эстакады или даже крупногабаритной фуры по соседству. Но если автонавигатор будет оснащен двухсистемным чипом, вероятность его «зависания» значительно уменьшится.

Когда подобная практика станет повсеместной, навигатору будет безразлична страна происхождения системы, ведь он сможет одновременно отслеживать до 40 спутников, выдавая фантастически точное определение местонахождения.

Видео о принципах работы GPS и ГЛОНАСС:

Пользователя GPS-навигатора всегда интересует реальная точность GPS-навигации и степень доверия к ее показаниям. Насколько можно приближаться к какой-либо навигационной опасности, полагаясь только на приемник GPS-навигатора? К сожалению, однозначного ответа на этот вопрос не существует. Это связано со статистическим характером ошибок GPS-навигации. Рассмотрим их подробнее.

На скорость распространения радиоволн влияют ионосфера и тропосфера, ионосферная и тропосферная рефракция. Это главный, после отключения SA, источник погрешностей. Скорость радиоволн в пустоте постоянна, но при входе сигнала в атмосферу изменяется. Для сигналов от разных спутников задержка времени различна. Задержки распространения радиоволн зависят от состояния атмосферы и высоты спутника над горизонтом. Чем ниже , тем больший путь проходит его сигнал через атмосферу и тем больше искажения. Большинство приемников исключают использование сигналов от спутников с возвышением над горизонтом менее 7,5 градусов.

Кроме того, атмосферные помехи зависят от времени суток. После захода солнца плотность ионосферы и ее влияние на радиосигналы уменьшается, явление, хорошо знакомое радистам-коротковолновикам. Военные и гражданские приемники GPS-навигаторов могут автономно определять атмосферную задержку сигнала, сравнивая задержки на разных частотах. Одночастотные потребительские приемники вносят приблизительную поправку на основании прогноза, передаваемого в составе навигационного сообщения. Качество этой информации в последнее время выросло, что дополнительно повысило точность GPS-навигации.

Режим SA.

Для сохранения преимущества высокой точности для военных GPS-навигаторов с марта 1990 года был введен режим ограничения доступа SA (Selective Availability), искусственно снижающий точность гражданского GPS-навигатора. При задействованном режиме SA в мирное время добавляется ошибка в несколько десятков метров. В особых случаях могут вводиться ошибки в сотни метров. Правительство США отвечает за работоспособность системы GPS перед миллионами пользователей, и можно рассчитывать, что повторное включение SA, и тем более, столь значительное снижение точности не будет введено без достаточно серьезных причин.

Загрубление точности достигается путем хаотического сдвига времени передачи псевдослучайного кода. Ошибки, возникающие от SA, - случайные и равновероятные в каждую сторону. SA влияет также на точность курса и скорости по GPS-навигатору. По этой причине неподвижный приемник часто показывает слегка изменяющиеся скорость и курс. Так что оценить степень воздействия SA можно по периодическим изменениям курса и скорости по GPS.

Погрешности в эфемеридных данных при GPS-навигации.

Прежде всего это погрешности, связанные с отклонением спутника от расчетной орбиты, неточностями часов, задержками сигнала в электронных схемах. Коррекция этих данных производится с Земли периодически, в промежутках между сеансами связи ошибки накапливаются. Ввиду малости эта группа погрешностей не имеет значения для гражданских пользователей.

Крайне редко, но могут иметь место более крупные ошибки из-за внезапных сбоев информации в устройствах памяти спутника. Если такой сбой не выявляется средствами самодиагностики, то до момента обнаружения ошибки наземной службой и передаче команды о неисправности спутник может какое-то время передавать неверную информацию. Происходит так называемое нарушение непрерывности или как часто переводят термин integrity, целостности навигации.

Влияние отраженного сигнала на точность GPS-навигации.

Кроме прямого сигнала от спутника GPS-приемник также может принять сигналы, отраженные от скал, зданий, проходящих судов — так называемое характеризующие многолучевое распространение (multypath). Если прямой сигнал закрыт от приемника надстройками или такелажем судна, отраженный сигнал может быть сильнее. Этот сигнал проделывает более длинный путь, и приемник «думает», что находится дальше от спутника, чем на самом деле. Как правило, эти ошибки намного меньше 100 метров, поскольку только близко расположенные предметы способны дать достаточно сильное эхо.

Спутниковая геометрия при GPS-навигации.

Зависит от расположения приемника относительно спутников, по которым определяется позиция. Если приемник поймал четыре спутника и все они находятся на севере - спутниковая геометрия плохая. Результат — ошибка до 50-100 метров или даже невозможность определения координат.

Все четыре измерения - из одного и того же направления, и область пересечения линий положений слишком велика. Но если 4 спутника будут расположены равномерно по сторонам горизонта, то точность намного возрастет. Спутниковая геометрия измеряется геометрическим фактором PDOP (Position Dilution Of Precision). Идеальному расположению спутников соответствует PDOP = 1. Большие значения говорят о плохой спутниковой геометрии.

Пригодными для навигации считаются значения PDOP меньше 6,0. В двухмерной навигации применяется HDOP (Horizontal Dilution Of Precision), меньше 4,0. Также используются вертикальный геометрический фактор VDOP, меньше 4,5, и временной TDOP, меньше 2,0. PDOP служит множителем для учета ошибок от других источников. Каждая измеренная приемником псевдодальность имеет свою погрешность, зависящую от атмосферных помех, ошибок в эфемеридах, режима SA, отраженного сигнала и так далее.

Так, если предполагаемые значения суммарных задержек сигнала по этим причинам, URE — User Range Error или UERE — User Equivalent Range Error, по-русски ЭДП - эквивалентная дальномерная погрешность, в сумме составляют 20 метров и HDOP = 1,5, то ожидаемая ошибка определения места будет равна 20 х 1,5 = 30 метров. Приемники GPS-навигаторов по-разному представляют информацию для оценки точности с использованием PDOP.

Кроме PDOP или HDOP, используется GQ (Geometric Quality) — величина, обратная HDOP, или качественная оценка в баллах. Многие современные приемники показывают ЕРЕ (Estimated Position Error - ожидаемую ошибку позиции) непосредственно в единицах дистанции. ЕРЕ учитывает расположение спутников и прогноз погрешности сигналов для каждого спутника в зависимости от SA, состояния атмосферы, ошибок спутниковых часов, передаваемых в составе эфемеридной информации.

Спутниковая геометрия также становится проблемой при использовании приемника GPS-навигатора внутри транспортных средств, в густом лесу, горах, вблизи высоких зданий. Когда сигналы от отдельных спутников блокированы, положение оставшихся спутников определит, насколько точной будет позиция GPS, и их число покажет, может ли позиция вообще быть определена. Хороший приемник GPS-навигатора покажет не только, какие спутники используются, но и их местоположение, азимут и возвышение над горизонтом, так что вы можете определить, затруднен ли прием данного спутника.

По материалам книги «Все о GPS-навигаторах».
Найман В.С., Самойлов А.Е., Ильин Н.Р., Шейнис А.И.

Специальная погрешность

Главная причина погрешностей данных в системе GPS больше не является проблемой. Второго мая, 2000 года в 5:05 утра (MEZ) так называемая специальная погрешность (SA) была отключена. Специальная погрешность - это искусственная фальсификация времени в сигнале L1, переданном спутником. Для гражданских GPS приемников эта погрешность вела к менее точному определению координат. (ошибка в приблизительно 50 м. в течение нескольких минут).

В дополнение, полученные данные передавались с меньшей точностью, что означает, что передаваемое положение спутника не соответствует действительности. Таким образом, за несколько часов возникает неточность данных о местоположении в 50-150 м. В те времена, когда специальная погрешность была активна, гражданские GPS приборы имели неточность в приблизительно 10 метров, а в наши дни - 20 или обычно даже меньше. После отключения выборочной погрешности, главным образом, улучшились точность данных о высоте.

Причиной для специальной погрешности была безопасность. Например, террористы не должны обладать возможностью обнаружения важных строительных объектов используя оружие на дистанционном управлении. Во время первой войны в заливе в 1990 специальная погрешность была отключена частично, т.к. американским войскам не хватало военных GPS приемников. Были приобретены 10 000 гражданских GPS приборов (Magellan и Trimble), которые позволили свободно и достаточно точно ориентироваться на пустынной местности. Специальная погрешность была деактивирована из-за широкого распространения GPS системы по всему миру. Следующие два графика показывают, как изменилась точность определения координат после выключения специальной погрешности. Длина границы диаграмм равняется 200 метрам, данные получены 1 мая 2000 года и 3 мая двухтысячного года в период 24 часа каждая. В то время как координаты при специальной погрешности находятся в радиусе 45 метров, то без нее 95 процентов всех точек находятся в радиусе 6.3 метра.

"Геометрия спутников"

Другой фактор, который влияет на точность определения координат - это "геометрия спутников". Геометрия спутников описывает положения спутников друг к другу с точки зрения приемника.

Если приемник видит 4 спутника и все они расположены, к примеру, на северо-западе, то это приведет к "плохой" геометрии. В худшем случае, обнаружение местоположения будет вовсе невозможно тогда, когда все определяемые расстояния будут указывать в одно направление. Даже, если местоположение распознано, погрешность может достигать 100 - 150 м. Если же эти 4 спутника будут хорошо распределены по небесному своду, то точность определяемого местоположения будет гораздо выше. Давайте предположим, что спутники расположены на севере, востоке, юге и западе, формируя углы в 90 градусов относительно друг друга. В данном случае расстояния могут быть измеряются в четырех разных направлениях, что и характеризует "хорошую" геометрию спутников.

Если два спутника находятся в наилучшем положении относительно приемника, то угол между приемником и спутниками равен 90 градусов. Время прохождения сигнала не может быть определенно абсолютно точно, о чем говорилось ранее. Поэтому возможные положения отмечены черными кругами. Точка пересечения (А) двух кругов достаточна мала и обозначена синим квадратным полем, что означает, что определяемые координаты будут достаточно точными.

Если спутники расположены почти в одну линию относительно приемника, то, как видно, на перекрестии мы получим более обширную площадь, а значит и меньшую точность.

Геометрия спутников также во многом зависит от высоких машин или от того, используете ли вы прибор в машине. Если какой-то из сигналов заблокирован, оставшиеся спутники попробуют определить координаты, если это вообще будет возможно. Такое часто может наблюдаться в зданиях, когда вы близко расположены к окнам. Если определение местоположением будет возможным, то в большинстве случаев оно будет не точным. Чем большая часть небосвода загорожена каким-либо предметом, тем становится сложнее определить координаты.

Большинство GPS приемников не только показывают количество "пойманных" спутников, но так же и их положение в небе. Это позволяет пользователю судить, закрывается ли какой-то определенный спутник каким-либо предметом и возникнет ли неточность данных при перемещении всего на пару метров.

Производители большинства приборов дают свою формулировку о точности измеряемых величин, которая в основном зависит от разных факторов. (о которых производитель неохотно говорит).

Для определения качества геометрии спутников в основном используются значения DOP ("разбавление" точности). В зависимости от того, какие факторы используются для вычисления значений DOP, возможны различные варианты:

• GDOP (Geometrical Dilution Of Precision); Полная точность; 3D-координаты и время
• PDOP (Positional Dilution Of Precision) ; Точность положения; 3D-координаты
• HDOP (Horizontal Dilution Of Precision); Горизонтальная точность; 2D-координаты
• VDOP (Vertical Dilution Of Precision); Вертикальная точность; высота
• TDOP (Time Dilution Of Precision); временная точность; время

HDOP-значения ниже 4 хороши, выше 8 - плохие. HDOP значения становятся хуже, если "пойманные" спутники находятся высоко в небе над приемником. С другой стороны, значения VDOP становятся тем хуже, чем ближе спутники к горизонту, а значения PDOP хороши, когда спутники находятся прямо над головой и еще три распределены по горизонту. Для точного определения местоположения, значение GDOP не должно быть меньше 5. Значения PDOP, HDOP и VDOP являются частью NMEA данных GPGSA.

Геометрия спутников не является причиной погрешности в определении положения, которое может быть измерено в метрах. На самом деле значения DOP усиливает другие неточности. Высокие значения DOP увеличивает другие ошибки больше, чем низкое значения DOP.

Ошибка, которая возникает при определении местоположения из-за геометрии спутников, также зависит от широты, на которой находится приемник. Это показано ниже на диаграммах. Диаграмма слева показывает неточность по высоте (вначале кривая изображена со специальной погрешностью), которая была записана в Вухане (Китай). Вухан расположен на 30.5° северной широты и является наилучшим местом, где совокупность спутников всегда идеальна. Диаграмма справа показывает такой же записанный интервал, сделанный на станции Касей в Антарктике (66.3° южной широты). Из-за не такой идеальной совокупности спутников в этой широте время от времени возникали более грубые ошибки. В дополнение ошибка происходит из-за влияния атмосферы - чем ближе к полюсам, тем больше погрешность.

Орбиты спутников

Хотя спутники и находятся на достаточно четко определенных орбитах, небольшое отклонения от орбит все же возможно из-за гравитации. Солнце и Луна имеют слабое влияние на орбиты. Данные об орбите постоянно корректируются и поправляются и регулярно посылаются приемнику в эмпирическую память. Поэтому влияние на точность определения местоположения достаточно маленькое и если возникает погрешность, то не более 2 метров.

Влияния отражения сигналов

Эффект происходит из-за отражения сигналов спутника от других объектов. Для GPS сигналов этот эффект главным образом происходит в близости больших зданий или других объектов. Отраженному сигналу требуется больше времени, чем прямому сигналу. Ошибка составит всего несколько метров.

Атмосферные эффекты

Другой источник неточности это уменьшение скорости распространения сигнала в тропосфере и ионосфере. Скорость распространения сигналов в открытом космосе равна скорости света, а в ионосфере и тропосфере она меньше. В атмосфере на высоте в 80 - 400 км энергией солнца создается большое количество положительно заряженных ионов. Электроны и ионы сконцентрированы в четырех токопроводящих слоях ионосферы (D-, E-, F1-, и F2-слоях).
Эти слоя преломляют электромагнитные волны, исходящих от спутников, что увеличивает время прохождения сигналов. В основном эти ошибки корректируются вычислительными действиями приемника. Различные варианты скоростей при прохождении ионосферы для низких и высоких частот прекрасно известны для нормальных условий. Эти значения используются при расчете координат местоположения. Однако, гражданские приемники не способны вносить корректировку для непредвиденных изменений в прохождении сигнала, причиной которых могут стать сильные солнечные ветра.

Известно, что во время прохождения ионосферы электромагнитные волны замедляются обратно пропорционально площади их частоты (1/f2). Это означает, что электромагнитные волны с низкой частотой замедляют скорость быстрее, чем электромагнитные волны с высокими частотами. Если сигналы с высокой и низкой частотой, которые достигли приемника, позволили проанализировать разность во времени их прибытия, то время прохождения в ионосфере также будет посчитано. Военные GPS приемники используют сигналы двух частот (L1 и L2) , которые по разному ведут себя в ионосфере, и это позволяет устранить другую погрешность при вычислениях.

Влияние тропосферы - это следующая причина, почему время прохождения сигнала увеличивается из-за преломления. Причинами преломления являются разная концентрация водяного пара в тропосфере, в зависимости от погоды. Данная ошибка не так велика, как ошибка, которая возникает при прохождение, через ионосферу, но она не может быть устранена вычислением. Для исправления этой ошибки при вычислении используется приблизительная поправка.

Следующие два графика показывают ошибку ионосферы. Данные изображенные слева, были получены одночастотным приемником, который не может внести исправить ошибку ионосферы. График справа получен двухчастотным приемником, который может корректировать ошибку ионосферы. Обе диаграммы имеют примерно одинаковый масштаб(Слева: Широта от -15м до +10 м, Долгота -10м до +20 м. Справа: широта от - 12 м до + 8 м, долгота от - 10м до +20м). Правый график показывает более высокую точность.

Используя WAAS и EGNOS можно настроить "карты" погодных условий над различными регионами. Откорректированные данные отсылаются на приемник и заметно улучшают точность.

Неточность часов и округление ошибок

Несмотря на то, что время приемника синхронизируется с временем спутника во время определения положения, все же неточность времени есть, что приводит к ошибки в 2м при определении местоположения. Округление и вычислительные ошибки приемника имеют погрешность примерно в 1м.

Релятивистские эффекты

В данном разделе нет полного объяснения теории относительности. В повседневной жизни мы не осознаем значения теории относительности. Однако, эта теория влияет на множество процессов, среди которых правильное функционирование GPS системы. Это влияние будет коротко объяснено далее.

Как мы знаем, время является одним из главных факторов в GPS навигации и должно быть равно 20-30 наносекундам, чтобы обеспечить необходимую точность. Поэтому необходимо учесть скорость движения спутников (примерно 12000 км/ч)

Кто когда-либо сталкивался с теорией относительности, знает, что время течет медленнее при больших скоростях. Для спутников, которые движутся со скоростью 3874 м/с, часы идут медленнее, чем для земли. Это релятивистское время ведет к неточности во времени примерно в 7,2 микросекунде в день (1 микросекунд = 10-6 секунд). Теория относительности также гласит, что время идет тем медленнее, чем сильнее поле гравитации. Для наблюдателя на земной поверхности часы спутника будут идти быстрее (так как спутник находится на 20 000 км выше и подвергается гравитационным силам меньше, чем наблюдатель). И эта вторая причина этого эффекта, который в шесть раз сильнее, чем неточность о которой говорилось чуть ранее.

В целом, кажется, что часы на спутниках идут немного быстрее. Отклонение времени для наблюдателя на Земле составило бы 38 микросекунд в день и послужили бы причиной ошибки в итоге в 10 км за день. Чтобы избежать этой ошибки нет необходимости постоянно вносить корректировки. Частота часов на спутниках была установлена на 10.229999995453 Mhz вместо of 10.23 Mhz, но данные используют так, как если бы они имели стандартную частоту в 10.23 MHz. Эта уловка решила проблему релятивистского эффекта раз и навсегда.

Но есть и другой релятивистский эффект, который не учитывается при определении местоположения по системе GPS. Это так называемый эффект Сагнака и он вызван тем, что наблюдатель на поверхности Земли также постоянно движется со скоростью 500м/с (скорость на экваторе) из-за того, что планета вращается. Но влияние этого эффекта мало и его корректировка сложна для вычисления, т.к. зависит от направления движения. Поэтому этот эффект учитывается только в особых случаях.

Ошибки GPS системы приведены в следующей таблице. Частные значение не являются постоянными значениями, но являются подчиняются различиям. Все числа - приблизительные значения.