Анализ суточных вариаций ионосферы на точность определения координат и высот двухчастотными радионавигационными приемниками

УДК 550.388

АНАЛИЗ СУТОЧНЫХ ВАРИАЦИЙ ИОНОСФЕРЫ НА ТОЧНОСТЬ ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ И ВЫСОТ ДВУХЧАСТОТНЫМИ РАДИОНАВИГАЦИОННЫМИ ПРИЕМНИКАМИ

л _ о

© А.И. Агарышев1, А.М. Симоненко2

Иркутский национальный исследовательский технический университет, 664074, Россия, г. Иркутск, ул. Лермонтова, 83.

Приведены результаты первого этапа экспериментальных исследований суточных вариаций ионосферы на точность позиционирования двухчастотных спутниковых радионавигационных приемников. Данные приемники устанавливались на пункты с известными координатами, измеренными с точностью до 6 мм в плане и по высоте. Измерения производились в магнитоспокойные дни. Установлено, что наиболее максимальные отклонения от средних значений широты, долготы и высоты возникают в утренние и вечерние часы суток. Ключевые слова: вариации ионосферы; двухчастотный спутниковый приемник; групповые задержки радиоволн; определение координат; спутниковые радионавигационные системы.

ANALYSIS OF IONOSPHERE DAILY VARIATIONS ON THE ACCURACY OF POSITIONING AND HEIGHT DETERMINATION BY TWO-FREQUENCY RADIO NAVIGATION RECEIVERS A.I. Agaryshev, АЖ Simonenko

Irkutsk National Research Technical University, 83 Lermontov St., Irkutsk, 664074, Russia.

The article reports on the results of the first stage of experimental studies of ionosphere daily variations on positioning accuracy of double-frequency satellite radio navigation receivers. These receivers were installed at the fixes measured with 6 mm accuracy in plan and height. The measurements performed during magnetic quite days have shown that the maximum deviations from the mean values of latitude, longitude and altitude occur in the morning and evening hours. Keywords: ionosphere variations; double-frequency satellite receiver; group delays of radio waves; positioning; satellite radio navigation systems.

Введение и постановка задачи

Задача повышения точности определения координат приемников спутниковых радионавигационных систем (СРНС) весьма актуальна в настоящее время для РФ в связи с вводом в эксплуатацию глобальной навигационной системы ГЛОНАСС. На эту точность влияет большое число различных факторов, которые можно разделить на два основных вида [2, 3]: 1) аппаратурные погрешности, такие как ошибки прогнозирования координат навигационных космических аппаратов (НКА), ошибки определения моментов излучения навигационных сигналов (НС), ошибки обработки сигнала в приемниках СРНС, т.е. в аппаратуре потребителей (АП); 2) ошибки из-за влияния среды распространения радиоволн между НКА и АП [1-4].

Ошибки вида 2 обусловлены в основном ошибками прогнозов групповых задержек радиоволн в ионосфере Земли [1, 4]. Эти задержки больше задержек, соответствующих прямолинейному распространению радиоволн в свободном пространстве, и зависят от большого числа факторов, таких как время суток, день года, уровень активности Солнца, местоположение НКА и АП. Ошибки прогнозов задержек радиоволн в ионосфере существенно возрастают для НКА с небольшими углами возвышения Ь=5-10° при сильных

изменениях критических частот ионосферы (0 вдоль радиолиний НКА - АП [1]. Такие изменения максимальны в утренние часы суток зимой при высокой активности Солнца на радиолиниях широтного направления, когда горизонтальные градиенты ^ могут достигать 0,5 МГц на 100 км [1]. Ввиду существенного роста значений случайных изменений дополнительных задержек радиоволн, обусловленных влиянием среды, радиосигналы НКА с Ь<5° в АП не обрабатываются [3].

Отметим также, что значения ошибок вида 1 и 2 зависят от углов возвышения и азимутов НКА и прямо пропорциональны так называемому геометрическому фактору, который обратно пропорционален объему фигуры, образуемой НКА и АП в пространстве [3] (рис. 1).

Из рис. 1 следует, что для улучшения геометрического фактора точности определения координат АП необходимо использовать НКА с небольшими углами возвышения Ь, но для таких углов точность определения координат АП ухудшается из-за влияния среды распространения радиоволн. Поэтому исследование влияния углов возвышения НКА на точность место-определения АП представляет несомненный интерес.

1Агарышев Анатолий Иванович, доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиоэлектроники и телекоммуникационных систем, тел.: 89501297688, e-mail: aai.irk@mail.ru

Agaryshev Anatoly, Doctor of technical sciences, Professor of the Department of Radioelectronics and Telecommunication Systems, tel.: 89501297688, e-mail: aai.irk@mail.ru

2Симоненко Андрей Михайлович, аспирант, тел.: 89025106829, e-mail: sima92@ya.ru Simonenko Andrei, Postgraduate, tel.: 89025106829, e-mail: sima92@ya.ru

Рис. 1. Расположения НКА, соответствующие лучшей (слева) и худшей (справа) точности определения координат наземного приемника СРНС

В системах массового назначения для решения практических задач применяются одночастотные радиоприемники, стоимость которых в десятки раз меньше более точных двухчастотных приемников. Однако при одночастотном приеме возникает проблема учета задержек радиоволн, проходящих через ионосферу. Значение задержки изменяется в широких пределах в зависимости от района, где расположен приемоиндикатор, времени суток, года, солнечной и геомагнитной активности и составляет от 5 до 500 нс.

ского предприятия и является пунктом фундаментальной астрономо-геодезической сети «Иркутск». Второй пункт расположен на базе Восточно-Сибирского филиала ФГУП «ВНИИФТРИ» и является пунктом мировой сети. Данные пункты прошли государственную сертифицикацию, и их геодезические координаты в системе WGS-84 были определены с точностью до десятых долей миллиметра. Пример регистрации экспериментальных данных для одного из сеансов приведен в таблице.

Пример регистрации данных радиоприемников СРНС при количестве наблюдаемых

спутников 17

SITE MM/DD/YY HH:MM:SS PDOP LATITUDE LONGIUDE HI

IRKJ 07/23/12 00:00:00 1,2 N52,21903513 E104,31618246 503,175

IRKJ 07/23/12 00:00:30 1,2 N52,21903323 E104,31618288 503,231

IRKJ 07/23/12 00:01:00 1,9 N52,21903377 E104,31617713 504,150

IRKJ 07/23/12 00:01:30 1,6 N52,21903698 E104,31617790 503,449

IRKJ 07/23/12 00:02:00 1,8 N52,21903633 E104,31617790 503,666

IRKJ 07/23/12 00:02:30 1,7 N52,21903631 E104,31617838 503,526

Примечание. SITE - наименование пункта измерений; MM/DD/YY - дата измерений (месяц, день, год); HH:MM:SS - время UTC (часы, минуты, секунды); PDOP - геометрический фактор точности; N, E - значения широты и долготы (доли градуса); HI - эллипсоидальная высота приемной антенны над уровнем моря, м.

Среднее значение ионосферной задержки на частоте средневысотной спутниковой радионавигационной системы составляет от 5 до 10 нс ночью и 30-50 нс днем для углов места навигационных спутников c b близких к 90°, а при b<15° возрастает в 2-3 раза.

Цель работы заключается в представлении результатов измерений значений случайных отклонений координат и высот двухчастотных радиоприемников СРНС от средних значений координат и высот, а также в анализе этих результатов c учетом суточных вариаций ионосферы Земли.

Методика эксперимента

Измерения проводились спутниковыми геодезическими GNSS/GPS приемниками Javad Sigma, подключенными к ПК с помощью специально разработанной программы и установленными на двух различных геодезических пунктах с известными координатами. Предполагалось, что приемники принимают сигналы в практически одинаковых условиях возмущения ионосферы. Пункты находятся в г. Иркутске на расстоянии порядка 9 км друг от друга. Первый пункт IKRU находится на базе Восточно-Сибирского аэрогеодезиче-

Методика обработки экспериментальных данных

Из таблицы видно, что для сеанса длительностью =30 с измеренные значения географических координат практически не меняются, а отклонения измеренных высот от средней высоты для этого сеанса не превышают 50 см. Однако отличия этих характеристик от сеанса к сеансу существенно превышали их отличия внутри сеансов. Поэтому для каждого сеанса с номером ] определялись средние значения долготы Е, широты N и высоты Н,, которые подвергались дальнейшей обработке, в результате которой определялись средние значения ЕС, ЩС, НС, а также отклонения от этих средних Ащ=ЕГЕс, Ащ=МгЩс, Ац=НгНс. Сглаживание экспериментальных зависимостей производилось с интервалом 60 минут. Для обработки данных был выбран магнитоспокойный день с 00.00 до 24.00 ч. по UTC - 24.07.2012 года. Были обработаны массивы данных с двух приемников, работающих синхронно.

На следующем этапе исследований строились зависимости измеренных значений АЕ, Ащ, АН, от времени, по виду которых был сделан вывод о присутствии

существенных флуктуаций координат (особенно высоты) в утренние и вечерние часы при переходе «день-ночь» и влияния этих факторов на точность место-определения АП. Два одинаковых приемника выдава-

ли значения высот, широт, долгот в одинаковых условиях в непосредственной близости друг от друга с одинаковым интервалом измерений - 30 с (рис. 2-7).

Рис. 2. Высота антенны ¡ЯКи 23.07.2012 г. в зависимости от отсчетов, с

Ь 10 15 20 25 30 Рис. 3. Широта антенны 1ЯКи 23.07.2012 г. в зависимости от отсчетов, с

Рис. 4. Долгота антенны ¡ЯКи 23.07.2012 г. в зависимости от отсчетов, с

Рис. 5. Высота антенны IRKJ 23.07.2012 г. в зависимости от отсчетов, с

Рис. 6. Широта антенны IRKJ 23.07.2012 г. в зависимости от отсчетов, с

1-1-1-г

5 10 15 20 25 30

Рис. 7. Долгота антенны IRKJ 23.07.2012 г. е зависимости от отсчетов, с

Временные особенности в двух разнесенных на 9 км приемниках представляют интерес с точки зрения корреляции мгновенных отсчетов.

Обсуждение полученных результатов

Рис. 2-4 показывают увеличение случайных отклонений измеренных координат и высот в одинаковые интервалы суток на пункте !РКи, которые возникают с 14.00 до 15.00 ч. Так как время иТС отличается от местного иркутского времени на 8 ч., то данное распределение приходится на 23.00 (вечернее время). Максимальные отклонения от среднего значения составляют около 7 м по высоте. При рассмотрении зависимостей высоты и широты от времени суток на пункте !РЮ (рис. 5-7) максимальные флуктуации возникают также в вечерние часы. Как видно из рис. 7, отклонения долготы не имеют характерного провала в дневное время суток, как это обнаруживается в суточном ходе отклонений широты. Таким образом, влияние ионосферы на точность определения координат двухчастотными приемниками СРНС обусловлено возмущениями ионосферы в момент перехода «день-ночь» в утренние и вечерние часы суток.

Выводы

Результаты работы можно использовать для со-

вершенствования алгоритмов обработки навигационной информации и результатов измерений в приемниках СРНС с целью повышения точности определения их координат. При статистической обработке данных использовались различные интервалы сглаживания -60, 30 и 15 мин. Сравнение результатов сглаживания позволяет сделать заключение о том, что, во-первых, увеличение интервала сглаживания вызывает заметное изменение характера суточного хода случайных погрешностей координат, во-вторых, приводит к увеличению постоянной составляющей среднего квадра-тического погрешности. Как следует из работы [4], в которой приведены результаты наблюдений за мерцанием сигналов спутников на контрольно-измерительной станции СРНС Навстар GPS острова Кваджелейна, период мерцаний на частоте f1 приблизительно равен 1,5 с. Поэтому использование интервала сглаживания, равного 1 мин, позволяет обнаружить эффект мерцания. При увеличении интервала сглаживания начинает проявляться влияние перемещений спутников. Кроме того, начинает сказываться присутствие тренда в суточном ходе систематических погрешностей широты и долготы.

Статья поступила 10.06.2015 г.

Библиографический список

1. Агарышев А.И., Потапов Д.В. Моделирование групповых задержек при распространении радиоволн через переходную область ионосферы // Распространение радиоволн: сб. докладов XX! Всерос. науч. конф. В 2 т. (Йошкар-Ола, 25-27 мая 2005 г.). Йошкар-Ола: Изд-во МарГТУ, 2005. Т. 2. С. 265-267.

2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования. 4-е изд. перераб. и доп./ под ред. А.И. Перова, В.Н. Харисо-ва. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.

3. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В.С. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич [и др.]. М.: Радио и связь, 1993. 408 c.

4. Klobuchar J.A. Ionospheric Effect on GPS. Global Positioning System: Theory and Applications. Edited by Bradford W. Parkinson, James J. Spilker. Vol. I.American Institute of Aeronautics and Astronautics, Washington, DC, 20024-2518, 1996 г., P. 485-515.