Дифференциальный режим GPS
Дифференциальный режим глобальной системы позиционирования (DGPS) является усовершенствованием глобальной системы позиционирования (GPS), который обеспечивает повышенную точность определения местоположения в диапазоне операций каждой системы от 15-метровой номинальной точности GPS до приблизительно 1-3 см в случае наилучших условий.
Каждый DGPS использует сеть фиксированных наземных опорных станций для трансляции разницы между позициями, указанными спутниковой системой GPS и известными фиксированными позициями. Эти станции передают разницу между измеренными спутниковыми псевдодальностями и фактическими (внутренне вычисленными) псевдодальностями, приемные станции могут корректировать свои псевдодальности на ту же величину. Сигнал цифровой коррекции обычно передается локально по наземным передатчикам более короткого диапазона.
Когда GPS впервые была введена в эксплуатацию, американские военные были обеспокоены возможностью использования противником глобальных сигналов GPS для управления своими системами вооружения. Первоначально правительство считало, что «грубый прием» (C/A) сигнала даст только около 100-метровой точности, но с улучшением конструкций приемника фактическая точность составила 20-30 метров. Начиная с марта 1990 года, чтобы избежать такой неожиданной точности, сигнал C/A, передаваемый на частоте L1 (1575,42 МГц), был преднамеренно ухудшен путем смещения его тактового сигнала на случайную величину, эквивалентную примерно 100 метрам расстояния. Этот метод называется «селективная доступность» (SA), он серьезно ухудшил полезность сигнала GPS для невоенных пользователей. Более точное наведение было возможно для пользователей двухчастотных GPS-приемников, которые также получали частоту L2 (1227,6 МГц), но передача L2, предназначенная для военного использования, была зашифрована и доступна только авторизованным пользователям с ключами дешифровки.
Это стало проблемой для гражданских пользователей, которые полагались на наземные радионавигационные системы, такие как LORAN, VOR и NDB, стоимость обслуживания которых составляла миллионы долларов каждый год. Появление глобальной навигационной спутниковой системы (GNSS) может обеспечить значительное повышение точности и производительности при незначительных затратах. Военные получили многочисленные запросы от Федерального управления гражданской авиации США, береговой охраны Соединенных Штатов (USCG) и Министерства транспорта Соединенных Штатов (DOT) разрешить гражданское использованию GNSS, но они остались непреклонны по соображениям безопасности.
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 гг. Эти сигналы транслируются на морских длинноволновых частотах, которые могут быть приняты на существующих радиотелефонах. Почти все крупные поставщики GPS предлагали устройства с входами DGPS не только для сигналов USCG, но и для авиационных устройств на УКВ или коммерческих АМ-диапазонах.
Сигналы DGPS производственного качества на ограниченной основе стали передаваться в 1996 году и быстро расширили сеть, чтобы охватить большинство портов захода США, а также Морской порт Святого Лаврентия в партнерстве с канадской береговой охраной. Были разработаны планы по расширению системы по всей территории США, но это нелегко. Качество корректировок DGPS обычно падало с расстоянием, и большие передатчики, способные охватывать большие площади, как правило, группируются вблизи городов. Это означало, что районы с низким уровнем населения, особенно на Среднем Западе и Аляске, будут слабо охвачены наземным GPS. По состоянию на ноябрь 2013 года Национальный DGPS USCG состоял из 85 вещательных площадок, которые обеспечивают двойное покрытие почти всего побережья США и внутренних судоходных водных путей, включая Аляску, Гавайи и Пуэрто-Рико. Кроме того, система обеспечивала единый или двойной охват большей части внутренней части Соединенных Штатов. Вместо этого Федеральное управление гражданской авиации США начало изучать передачу сигналов по всему полушарию со спутников связи на геостационарной орбите. Это привело к созданию системы распространения поправок к данным (WAAS) и аналогичных систем, хотя они обычно не называются DGPS или, в качестве альтернативы, «DGPS широкой области».
К середине 1990-х годов стало ясно, что система C/A больше не годится для выполнения своей задачи. DGPS сделает ее неэффективной в США, именно там, где он считался наиболее необходимым. Кроме того, опыт войны в Персидском заливе показал, что широкое использование гражданских приемников американскими войсками скорее вредила, чем помогала. После многих лет давления потребовался указ президента Билла Клинтона, чтобы окончательно отключить C/A в 2000 году.
Тем не менее, к этому моменту DGPS превратилась в систему для обеспечения большей точности, чем даже GPS-сигнал может обеспечить сам по себе. Существует несколько других источников ошибок, которые имеют те же характеристики, что и C/A. К ним относятся ионосферные эффекты, упомянутые ранее, а также ошибки в данных эфемерид положения спутников и разниица часов на спутниках. В зависимости от количества данных, передаваемых в корректирующем сигнале DGPS, корректировка этих эффектов может значительно уменьшить погрешность, лучшие реализации предлагают точность менее 10 см.
В дополнение к продолжающимся развертываниям систем, спонсируемых USCG и FAA, ряд поставщиков создал коммерческие службы DGPS, продавая свой сигнал (или приемники для него) пользователям, которым требуется более высокая точность, чем номинальные 15 метров GPS. Почти все коммерческие GPS-устройства, даже ручные, теперь предлагают ввод данных DGPS, а многие также поддерживают WAAS напрямую. В какой-то степени форма DGPS теперь является естественной частью большинства операций GPS.
Постобработка используется в дифференциальном GPS для получения точных положений неизвестных точек, связывая их с известными точками, такими как маркеры съемки.
Измерения GPS обычно хранятся в памяти компьютера в приемниках GPS, а затем передаются на компьютер, работающий с программным обеспечением постобработки GPS. Программное обеспечение вычисляет базовые линии, используя одновременные данные измерений от двух или более GPS-приемников.
Базовые линии представляют собой трехмерную линию, проведенную между двумя точками, занятыми каждой парой антенн GPS. Постобработанные измерения позволяют более точно определять местоположение, 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 в режиме реального времени Кинематической съемки (RTK) или навигации.
Улучшение позиционирования GPS не требует одновременных измерений двух или более приемников каждый раз, его можно сделать с помощью специального использования одного устройства. В 1990-е годы, когда даже карманные приемники были довольно дорогими, были разработаны некоторые методы квазидифференцированного GPS.
DGPS могут относиться к любому типу наземной системы функционального дополнения (GBAS). По данным береговой охраны США, в 47 странах мира используется множество операционных систем, аналогичных американской системе NDGPS (Nationwide Differential Global Positioning System).
Список можно найти в базе данных World DGPS для Dxers
Европейская сеть DGPS была разработана главным образом финской и шведской морскими администрациями в целях повышения безопасности на архипелаге между двумя странами.
В Великобритании и Ирландии эта система была внедрена в качестве средства морской навигации, чтобы заполнить пробел, оставшийся после провала навигационной системы Decca в 2000 году.
Министерство транспорта Соединенных Штатов совместно с Федеральной администрацией автомобильных дорог, федеральной железнодорожной администрацией и Национальной геодезической службой назначило береговую охрану в качестве агентства по обслуживанию национальной сети DGPS США (NDGPS). Эта система представляет собой расширение предыдущей морской дифференциальной GPS (MDGPS), которую береговая охрана начала в конце 1980-х годов и завершила в марте 1999 года. MDGPS охватывает только прибрежные воды, Великие озера и внутренние водные пути реки Миссисипи, в то время как NDGPS расширяет этот охват, включая полный охват континентальной части Соединенных Штатов. Единицей централизованного управления является навигационный центр USCG, базирующийся в Александрии, штат Вирджиния. В настоящее время в американской сети имеется 85 сайтов NDGPS, управляемых навигационным центром Министерства внутренней безопасности США.
В 2015 году USCG и USACE запросили комментарии относительно планируемого поэтапного отказа от DGPS США. В ответ на полученные комментарии в последующем уведомлении Федерального регистра за 2016 год было объявлено, что 46 станций останутся в эксплуатации и «доступны для пользователей в морских и прибрежных регионах». Несмотря на это решение, USACE вывел из эксплуатации оставшиеся 7 станций, и в марте 2018 года USCG объявила, что она выведет из эксплуатации оставшиеся станции к 2020 году.
Канадская система аналогична американской системе и предназначена главным образом для морского использования, охватывающего Атлантическое и Тихоокеанское побережье, а также Великие озера и Морской Путь Святого Лаврентия.
Австралия использует три DGPS: один в основном для морской навигации, транслируя свой сигнал в длинноволновом диапазоне; другой используется для наземных съемок и наземной навигации и имеет поправки, транслируемые в коммерческом FM-диапазоне. Третий в аэропорту Сиднея в 2011 проходил испытания на точность посадки самолета, в качестве резервного к приборной системе посадки как минимум до 2015 года. Эта система называется наземной системой усиления. Поправки к положению самолета транслируются через авиационный УКВ-диапазон.
