Анализ видимости спутников

Рис. 2. Возможная область приема радиоволн в городском каньоне (обозначена желтым цветом).

Для удачного проникновения Galileo на широкий рынок одним из качеств системы должна быть его возможность взаимодействие с NAVSTAR, и наоборот. Приемник должен быть способен работать с любым спутником из любой спутниковой группировки, что должно способствовать достоверному решению задачи позиционирования. Это сводит к минимуму “проблему городского каньона” (отсутствие видимости спутников в области застройки зданиями различной высотности приводит к сбоям в решении задач или решение имеет очень низкую точность).

Однако совместимость двух систем – только один из принципов разработки структуры группировки Galileo – в частности, есть требование к системе Galileo - возможность предоставления определенных услуг (например, для авиации), независимо от NAVSTAR. Это лишний раз подтверждает необходимость быстрейшего запуска всех 27 оперативных спутников группировки. Рынок услуг массового сервиса, однако, не заинтересован в политике независимости и мы вынуждены учитывать тот факт, что NAVSTAR уже существует и будет формировать отправные точки при построении последующих спутниковых систем навигации. Поэтому мы отслеживаем характеристики текущей группировки NAVSTAR из 28 спутников и исследуя результаты ее модернизации, делаем все для введения в строй группировки спутников Galileo. В интервью и на семинарах, в разговорах с пользователями и провайдерами услуг массового рынка мы увидели повышенный интерес в достижении наилучшей плановой точности. Высотная же точность пользователей рынка мало интересовала, и они не высказывали желания нести из-за этого дополнительные расходы.

Мы работаем с обеими составляющими точности и, к тому же, рассматриваем эффективность в единицах количества времени, необходимого для достижения требуемой точности. Анализ проводился с использованием набора смоделированных спутниковых орбит с сеткой тестовых измерений, равномерно распределенной с интервалом приблизительно в 3 градуса над Европой.

Горизонтальный фактор снижения точности HDOP является функцией от величины и формы созвездия спутников и параметров их орбит, следовательно, увеличение количества спутников в поле зрения улучшает возможности в выборе оптимальной группировки и приводит к уменьшению HDOP (или увеличивает доступность заданного HDOP). Если поле зрения пользователя в небе ограничено, например, высотными зданиями центра города, группировка больших размеров улучшает минимально достижимое значение HDOP для данных ограничений по высоте (углу маскирования).

При анализе эффективности использования систем NAVSTAR и Galileo в городских условиях использовались три угла маскирования для определения HDOP и точности. “Моментальные снимки” были сделаны для разных азимутов азимута и углов возвышения при различных местоположениях приемников с использованием в качестве базовой электромагнитной модели для Piccadilly Circus, Лондон. Это было сделано для определения ограничений поля зрения для различных точек тестовой сетки.

Рассмотрено три случая:

в середине широкого перекрестка (средний угол маскирования приблизительно равен 22 градусам)

на улице, открытой с одной стороны, со зданиями высотой от 4 до 7 этажей (средний угол маскирования приблизительно равен 40 градусам)

в окружении семиэтажных зданий (средний угол маскирования приблизительно равен 45 градусам)

Эти три случая взяты для описания пригородов, малоэтажной и многоэтажной застройки, соответственно. Первым приближением зоны с редкой застройкой зданий является жилой район.

Рис. 3 и 4 показывают доступность (собственно говоря, процентную величину вероятности появления HDOP ниже определенного уровня) для NAVSTAR, Galileo и NAVSTAR плюс Galileo при увеличении количества спутников на 6 единиц, в условиях пригорода и малоэтажной застройки. Сама по себе система Galileo имеет характеристики лучше, чем система NAVSTAR (благодаря большему наклону орбиты), но заслуживает особого интереса функционирование супергруппировки спутников: NAVSTAR + 6 Galileo улучшают низкие значения HDOP почти на 15%, с возможностью дальнейшего улучшения при увеличении числа спутников в группировке.

Рисунок 3. Горизонтальное разрешение HDOP: NAVSTAR+n Galileo. Пригород.	Рисунок 4. Горизонтальное разрешение HDOP: NAVSTAR+n Galileo. Низкая застройка.

На рис. 4 и 5 приведены случаи многоэтажной застройки, но при ориентации улиц, развернутой на 90 градусов в разных сеансах измерений. Как правило, спутники с Севера видны только при больших углах возвышения, в то же время спутники с Востока и Запада видны в широком диапазоне углов. Когда улицы расположены с Востока на Запад, спутник с малой высотой над горизонтом становится видимым и значение HDOP улучшается. Эффект вращения вносит изменение на 5-10% для низкого HDOP, и на 10-15% для высокого HDOP.

Рисунок 5. Горизонтальное разрешение HDOP:NAVSTAR+n Galileo, направление Восток-Запад. Высотная застройка.	Рисунок 6. Горизонтальное разрешение HDOP: NAVSTAR+n Galileo, высотная застройка, направление Север-Юг. Низкая застройка.

Вычисленные значения HDOP комбинируется со значением UERE полученными из эквивалентных значений кодовых последовательностей NAVSTAR C/A и будут уточнены в будущем с использованием улучшенных характеристик системы Galileo и модернизированной системы NAVSTAR. Это упрощает все вычисления, так как рассматривается множество параметров: число спутников, пользовательский угол маскирования, интервал времени, требуемый для развертывания, статус модернизации и т.д.

Табл. 1 показывает результаты прогнозируемой доступности 20-метровой горизонтальной точности (с достоверностью 95%) в зависимости от числа спутников системы Galileo, увеличивающегося от 0 (т.е. только спутники NAVSTAR, как сейчас) до 27 (спутники NAVSTAR плюс все спутники Galileo).

Сценарий	28 NAVSTAR +0 Galileo	28 NAVSTAR +6 Galileo	28 NAVSTAR +12 Galileo	28 NAVSTAR +18 Galileo	28 NAVSTAR +24 Galileo	28 NAVSTAR +27 Galileo
Пригород	~90%	~95%	~100%	~100%	~100%	~100%
Малоэтажная Застройка	~70%	~80%	~90%	~95%	~100%	~100%
Высотная Застройка Восток-Запад	~30%	~50%	~60%	~75%	~85%	~90%
Высотная Застройка Север-Юг	~15%	~30%	~50%	~65%	~75%	~80%

Таблица 1. Доступность горизонтальной точности в 20 метров (с вероятностью 95%) как функция от увеличения числа спутников Galileo.

Анализ показывает, что система NAVSTAR сама не в состоянии предложить достаточный доступ по точности для решения большинства задач в густо заселенной зоне. Galileo сразу же даст выгоду многим пользователям, ограниченным в настоящее время коммерчески допустимыми уровнями стоимости, не нуждаясь в запуске сразу всей группировки из 27 спутников (плюс три запасных). Наличие 12 спутников достаточно для хорошего перекрытия большинства европейских городов вне кварталов с высотной застройкой, а при 18 или 24 спутников достигается покрытие центральной части городов. Первичная оценка статистики относительной видимости спутников в различных городских условиях, лежащей в основе всего анализа, приведена в табл. 1.

При оценке использовалась величина ошибок дальности UERE, соответствующая нормальному белому Гауссовскому шуму, при этом эффект переотражений не принимался в расчет.

Дата добавления: 2015-10-24