DGPS

DGPS jeb diferenciālā globālā pozicionēšanas sistēma papildina un uzlabo pavadoņu navigācijas sistēmu atrašanās vietas datus. DGPS var uzlabot GPS precizitāti gandrīz tūkstots reizes no apmēram 15 metriem līdz 1 - 3 centimetriem.

DGPS sastāv no fiksētu atrašanās vietu, krastā izvietotu bāzes staciju tīkla. Katra bāzes stacija aprēķina starpību starp tās zināmo augstas precizitātes atrašanās vietu un zemākas precizitātes ar pavadoņu palīdzību aprēķināto atrašanās vietu. Stacijas pārraida šos datus lokālā mērogā - parasti izmantojot maza darbības rādiusa krastā izvietotus raidītājus. Nefiksētie (mobilie) uztvērēji izmanto šos datus, lai izlabotu uztvērēju aprēķināto atrašanās vietu par tādu pašu lielumu, tādā veidā uzlabojot iegūtās atrašanās vietas precizitāti.

Gan ASV Krasta apsardze, gan Kanādas krasta apsardze izmantoja DGPS ASV un Kanādas svarīgāko kuģu ceļu un ostu tuvumā, pārraidot koriģēšanas datus garajos viļņos starp 285 kHz un 325 kHz. ASV Krasta apsardzes DGPS sauca par valsts mēroga DGPS (Nationwide DGPS (NDGPS) - angļu val.) un to kopīgi uzturēja krasta apsardze ar Savienoto Valstu Aizsardzības departamenta armijas inženieru korpusu (U.S. Department of Defence's Army Corps of Engineers (USACE) - angļu val.). Sistēma sastāvēja no raidītājiem visā Savienoto Valstu iekšienē un piekrastē, tajā skaitā Aļaskā, Havajās un Puertoriko. Citas valstis uztur savas DGPS sistēmas.

Līdzīgu sistēmu, kura pārraida labojumus no orbītā esošiem pavadoņiem, nevis no krastā izvietotiem raidītājiem, sauc par plaša rajona DGPS (Wide-Area DGPS (WADGPS) - angļu val.) pavadoņos bāzētu papildināšanas sistēmu (Satellite Based Augmentation System - angļu val.).

Vēsture 
Sākotnējā interese par GPS papildināšanu radās no fakta, ka līdz pat 2000. gadam GPS C/A kodā tika pievienotas mākslīgas pseidoattālumu kļūdas. Tās pievienoja ASV bruņotie spēki un šīs kļūdas samazināja GPS precizitāti līdz apmēram 100 metriem. Kļūdu pievienošanas procesu dēvēja par selektīvās pieejamības (Selective Availability (SA) - angļu val.) degradāciju. Militārie uztvērēji šīs kļūdas noņēma signāla atkodēšanas procesa laikā. Drīz lietotāji atklāja, ka SA kļūdas var tikt vienkārši un ātri noņemtas izmērot pseidoattālumus precīzi noteiktā bāzes stacijas atrašanās vietā. Tas ļāva aprēķināt pievienotās pseidoattālumu kļūdas un tās pārraidīt lietotāju uztvērējiem ar radio palīdzību. Respektīvi, varēja tikt aprēķināts patiesais attālums līdz pavadonim un to, savukārt, varēja salīdzināt ar SA sagrozīto pseidoattālumu.

Metode balstījās uz to, ka SA kļūdas mainījās maz laikā, kas bija nepieciešams, lai novērtētu kļūdu, to pārraidītu un izlabotu uztvērēju aprēķināto atrašanās vietu. SA kļūda ievērojami mainījās tikai dažu desmitu sekunžu laikā, tomēr nav zināms, vai bija iespējams kļūdas maiņas ātrumu vajadzības gadījumā palielināt. Dažas sākotnējās bāzes stacijas pārraidīja tikai pozīciju starpību jeb nobīdi, nevis visu izmantojamo pavadoņu pseidoattālumu kļūdas, dodot viegli saprotamu jēdziena "diferenciālā sistēma" skaidrojumu. Šīs stacijas ļāva vienkārši izlabot uztvērēju aprēķināto atrašanās vietu, pieņemot, ka lietotāju GPS uztvērēji pozīcijas noteikšanai izmantos tos pašus pavadoņus, kurus izmanto bāzes stacija, kas ne vienmēr atbilst patiesībai.

Tika atklāts, ka šādi var samazināt arī kļūdas pseidoattālumā jonosfēras dēļ, viasmaz rajonā, kas centrēts ap bāzes staciju. Būtībā pārraidītais signāls no katra pavadoņa veic līdzīgu ceļu cauri atmosfērai līdz bāzes stacijai un katra lietotāja sistēmai. Palielinoties attālumam starp lietotāju un bāzes staciju, kļūda pseidoattālumā jonosfēras efektu dēļ pieaug. Izmantojot DGPS vai pavadoņos bāzētas papildināšanas sistēmas var samazināt arī pavadoņu pulksteņu un pavadoņu pozīciju kļūdas.

Pēc ASV prezidenta Billa Klintona rīkojuma, SA kļūdu pievienošana tika pārtraukta no 2000. gada 1. maija.

Darbība 

DGPS darbības pamatā ir pseidoattālumu līdz navigācijas pavadoņiem izmērīšana precīzi noteiktā bāzes stacijas atrašanās vietā. Respektīvi, var tikt aprēķināts patiesais attālums līdz pavadonim un to, savukārt, var salīdzināt ar izmērīto pseidoattālumu iegūstot pseidoattāluma kļūdu katram pavadonim. Iegūtās kļūdas pārraida lietotāju uztvērējiem ar radio palīdzību.

Tā kā diferenciālās bāzes stacijas nepārtraukti uzrauga kļūdu neesamību no pavadoņiem uztvertajos signālos, tad tās var ātri konstatēt neatbilstības un automātiski pārraidīt brīdinājumus lietotājiem, lai attiecīgais pavadonis netiktu izmantots atrašanās vietas aprēķinam. Tādējādi tiek sniegta papildus aizsardzība pret kļūdainiem signāliem papildus tai, kādu sniedz uztvērēja autonomā bojājumu uzraudzības sistēma (Receiver Autonomous Integrity Monitoring (RAIM) - angļu val.).

Starptautiskā Jūras organizācija (International Maritime Organization (IMO) - angļu val.) ir izdevusi snieguma standartus kuģu DGPS sistēmām. Starptautiskā Telekomunikāciju savienība (International Telecommunication Union (ITU) - angļu val.) nosaka, ka bāzes stacijas pārraida apmēram 300 kHz frekvencē, kas ir vidējo viļņu diapazona zemākās frekvences gals. Diferenciālās pārraides ir pilnībā digitālas, bet tā kā šajās frekvencēs uztveršanas kvalitāte bieži ir zema, pārraides ātrums ir salīdzinoši zems, parasti 100 līdz 200 biti sekundē vai pat mazāk. Pat pie šādiem ātrumiem uztvērējiem jābūt paredzētām iespējām samazināt atmosfēras elektrisko trokšņu iespaidu. Tādi rodas pērkona negaisa laikā un no garo vai vidējo viļņu radiostaciju izraisītiem traucējumiem.

Salīdzinoši lēnais pārraides ātrums nozīmē, ka pilna diferenciālo labojumu komplekta pārraide katram pavadonim aizņem ievērojamu laika sprīdi. Stacijām, kuras strādā ar 100 bitu sekundē ātrumu, tas aizņem 6 - 9 sekundes. Ilgais pārraides laiks nosaka maksimālo precizitāti, kādu diferenciālais uztvērējs spēj sasniegt, jo šī laika perioda ietvaros apstākļi atmosfērā būs nedaudz, bet tomēr izmainījušies. Laiks, kāds nepieciešams DGPS uztvērējiem datu apstrādei un rezultātu izvadīšanai uz displeja, ir mazs salīdzinot ar pārraides laiku.

IMO prasībām atbilstošā uztvērējā var uzglabāt visus datus, kādi nepieciešami, lai uztvertu diferenciālās pārraides automātiski no vairāk nekā 1 000 stacijām. Šajos datos ir iekļauta precīza bāzes stacijas atrašanās vieta un ģeodēziskā sistēma, kurā šī atrašanās vieta noteikta. Uztvērējs spēj vienlaicīgi uztvert noteiktu datu apjomu no vismaz 10 stacijām. Tas ļauj izvēlēties vispiemērotāko staciju, no kuras uztvert diferenciālo informāciju, ņemot vērā attālumu no tās, signāla kvalitāti un to, vai ir atklāti trūkumi konkrētās stacijas datu precizitātē.

Ja diferenciālajos signālos tiek atklāti bojājumi, par tiem tiek informēts lietotājs. Šādi gadījumi var būt, ja desmit sekunžu laikā nav uztverts pavadoņu navigācijas sistēmas ziņojums, vai arī, ja vienīgā automātiskajā režīmā pieejamā stacija ir nevesela, vai arī tās signāla kvalitāte nav apmierinoša.

Uztvērējā apskatāmi sekojoši dati par izmantojamo bāzes staciju:
 bāzes stacijas ID;
 stacijas nosaukums;
 frekvence;
 aprēķinātais attālums līdz stacijai;
 stacijas veselība;
 signāla kvalitāte.

Signāla kvalitāti var izmantot rupjam sagaidāmās precizitātes novērtējumam. Signāla kvalitāti bieži izsaka vārdu kļūdu daudzumā (Word Error Rate (WER) - angļu val.). 0% WER nozīmē, ka visi dati tiek uztverti perfekti. Pie 10% WER, lietotājs tiek brīdināts ieslēdzot signāla kvalitātes indikāciju. Šāds kļūdu daudzums tiek uzskatīts par nepieņemamu.

Precizitāte 
Vidējā GPS uztvērēja precizitāte ir 13 metri. Ar DGPS uztvērēju iegūtās atrašanās vietas precizitāte ir atkarīga no attāluma līdz bāzes stacijai. Dažu desmitu jūras jūdžu attālumā precizitāte būs ļoti augsta, jūras DGPS gadījumā augstāka par 5 metriem. Distancēs no viena līdz diviem simtiem jūras jūdžu, precizitāte ir apmēram 5 metri, bet lielākās distancēs tā samazinās.

Standarta jūras DGPS sistēmas parasti nodrošina tādu precizitāti, kāda ir nepieciešama praktiski visām pieejas operācijām piekrastē un ostās. Tomēr precizitāte nav pietiekama automātiskas tauvošanās nodrošināšanai, bet pat tā var tikt realizēta izmantojot DGPS tehnoloģiju lokālā mērogā. DGPS bāzes stacijas dažkārt uzstāda uz naftas platformām, urbšanas torņiem vai jūras vēja ģeneratoru parkos, lai nodrošinātu precīzu uz platformu apgādes kuģiem (platform supply vessel (PSV) - angļu val.), peldošajiem celtņiem (crane vessel (CV) - angļu val.), enkuru licējiem (anchor handling tug supply vessel (AHTSV) - angļu val.) un jūras celtniecības kuģiem (offshore construction vessel (OCV) - angļu val.) uzstādīto dinamiskās pozicionēšanas sistēmu darbību.

Variācijas 
Par DGPS var saukt jebkura tipa uz zemes bāzētu papildināšanas sistēmu (Ground-Based Augmentation System (GBAS) - angļu val.). Pasaulē tiek lietotas daudzas darbībā esošas sistēmas. Pēc ASV Krasta apsardzes datiem 47 valstis izmanto Savienoto Valstu NDGPS (Nationwide DGPS (NDGPS) - angļu val.) līdzīgas sistēmas. To sarakstu var atrast pasaules DGPS datubāzē priekš radio amatieriem.

Eiropas DGPS tīkls 
Eiropas DGPS tīklu galvenokārt attīstīja Somijas un Zviedrijas jūras administrācijas, lai uzlabotu drošību arhipelāgā starp abām valstīm.

Apvienotajā Karalistē un Īrijā sistēmu, kā kuģu vadīšanas tehnisko līdzekli, ieviesa, lai aizpildītu tukšumu, kāds radās izslēdzot Decca navigācijas sistēmu 2000. gadā. Ar 12 raidītāju tīklu, izvietotu apkārt gar piekrasti, un trīs vadības stacijām sistēmu 1998. gadā ieviesa attiecīgo valstu atbildīgie bāku uzraudzības dienesti: Trīsvienības nams (Trinity House - angļu val.) aptvēra Angliju, Velsu un Normandijas salas, Ziemeļu bāku pārvalde (Northern Lighthouse Board - angļu val.) aptvēra Skotiju un Menas Salu un Īru uguņu komisāri (Commissioners of Irish Lights - angļu val.) aptvēra visu Īriju. Sistēmu pārbaudīja raidot 300 kHz diapazonā un, pirms to 2002. gadā atzina par pilnībā darbojošos, tika pievienoti divi papildus raidītāji. Sistēmas ekspluatāciju beidza 2022. gada martā.

Amerikas Savienoto Valstu NDGPS 
ASV Transporta departaments kopā ar Federālo šoseju administrāciju (Federal Highway Administration - angļu val.), Federālo dzelzceļu administrāciju un Nacionālo ģeodēziskās uzmērīšanas iestādi (National Geodetic Survey - angļu val.) nozīmēja krasta apsardzi par ASV valsts mēroga diferenciālā GPS tīkla (Nationwide DGPS (NDGPS) - angļu val.) uzturošo aģentūru. Sistēma bija iepriekšējās jūras diferenciālās GPS (Maritime Differential GPS (MDGPS) - angļu val.), kuru krasta apsardze sāka ieviest 1980. gadu beigās un pabeidza 1999. gada martā, paplašinājums. MDGPS aptvēra tikai piekrastes ūdeņus, Lielos ezerus un Misisipi upes iekšzemes ūdensceļus, kamēr NDGPS paplašināja pārklājumu, lai tajā pilnībā iekļautu kontinentālās Savienotās Valstis. Centralizētā komandvadības un kontroles vienība bija Virdžīnijas štata Aleksandrijā izvietotais ASV Krasta apsardzes navigācijas centrs (United States Coast Guard Navigation Center (USCG Navigation Center) - angļu val.). ASV tīklā, kuru pārvaldīja ASV Tēvzemes drošības departamenta navigācijas centrs (United States Department of Homeland Security Navigation Centre - angļu val.) bija 84 NDGPS bāzes stacijas.

2015. gadā ASV Krasta apsardze un Savienoto Valstu Armijas inženieru korpuss (United States Army Corps of Engineers (USACE) - angļu val.) uzsāka publisko apspriešanu plānotajai ASV DGPS sistēmas slēgšanai. Saņemto ierosinājumu rezultātā nākamais 2016. gada Federālā reģistra (Federal Register - angļu val.) paziņojums informēja, ka 46 staciju darbība tiks saglabāta un tās būs "pieejamas lietotājiem jūras un piekrastes rajonos". Neskatoties uz pieņemto lēmumu, USACE slēdza tā 7 palikušās stacijas un 2018. gada martā USCG paziņoja, ka arī slēgs savas atlikušās stacijas līdz 2020. gadam. 2020. gada jūnijā visas NDGPS stacijas tika izslēgtas, jo tiek uzskatīts, ka tās vairāk nav vajadzīgas, ņemot vērā atteikšanos no selektīvās pieejamības 2000. gadā un jaunas paaudzes GPS pavadoņu ieviešanu.

Kanādas DGPS 
Kanādas sistēma bija līdzīga ASV sistēmai un pamatā bija domāta izmantošanai jūrā aptverot Atlantijas un Klusā okeāna piekrasti, tajā skaitā Lielos ezerus un Sentlorensas ūdensceļu. Sistēmas ekspluatāciju beidza 2022. gada 15. decembrī.

Austrālija 
Austrālijai bija trīs DGPS sistēmas. Vienu izmantoja pārsvarā jūras navigācijā un tās signālus pārraidīja garo viļņu diapazonā. Otrā ir paredzēta zemes uzmērīšanai un sauszemes navigācijai. Šīs sistēmas diferenciālos labojumus pārraida privāto FM radiostaciju diapazonā. Trešā sistēma darbojas Sidnejas lidostā un 2011. gadā to pārbaudīja precīzai lidaparātu nosēdināšanai. Vismaz līdz 2015. gadam sistēma nodrošināja rezervi instrumentālās nosēšanās sistēmai. To sauc par uz zemes bāzētu papildināšanas sistēmu (Ground Based Augmentation System - angļu val.). Lidaparātu pozīciju korektūras signāli tiek pārraidīti aviācijas ultraīsviļņu diapazonā.

Jūras DGPS sastāvēja no 16 krasta stacijām, kuras aptvēra Austrālijas piekrasti. Sistēmu izslēdza 2020. gada 1. jūlijā. Tika apgalvots, ka daudzkanālu kombinētie pavadoņu navigācijas sistēmu uztvērēji, kuri izmanto signālus no vairākām pavadoņu navigācijas sistēmām (GPS, GLONASS, Galileo un Beidou), nodrošina augstāku navigācijas precizitāti par papildinātu GPS jeb DGPS. Austrālijas Ģeozinātne (Geoscience Australia (GA) - angļu val.) vada Austrālijas pavadoņos bāzētas papildināšanas sistēmas (Satellite Based Augmentation System (SBAS) - angļu val.) projektu. 2020. gada septembrī tika paziņots, ka tā pavadoņu navigācijas sistēmu lietotājiem sniegs augstāku atrašanās vietas precizitāti tuvāko divu vai triju gadu laikā.

Atsauces

Ārējās saites 

 Latvijas Pozicionēšanas sistēma LatPos, kura korekcijas izplata ar mobilā interneta tīklu
 Video par DGPS darbību un tīklu Indijā 

Jūrniecība