Сравнительная оценка точности позиционирования одночастотной аппаратуры систем ГЛОНАСС и GPS

УДК 621.396.933

СРАВНИТЕЛЬНАЯ ОЦЕНКА ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ ОДНОЧАСТОТНОЙ АППАРАТУРЫ СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS1

К.Е. БЫЛИНИН, О.А. ГОРБАЧЁВ, В.Б. ИВАНОВ, Д.В.ХАЗАНОВ

Проведены экспериментальные исследования точности позиционирования в системах ГЛОНАСС/GPS с использованием одночастотной аппаратуры МНП-М3 производства Ижевского радиозавода. Показано, что система ГЛОНАСС не всегда обеспечивает стабильную работу наземной аппаратуры, а в системе GPS ионосферная и тропосферная коррекция производится с недостаточной эффективностью.

Ключевые слова: спутниковая радионавигация, ионосфера, тропосфера, одночастотная аппаратура.

Методика проведения эксперимента

Исследования точности позиционирования в системах ГЛОНАСС и GPS при использовании одночастотной аппаратуры выполнялись зимой 2011 г. в Иркутском филиале МГТУ ГА. Измерения проводились на аппаратуре МНП-М3 производства Ижевского радиозавода. Аппаратура имеет мощную систему настраиваемых опций, наиболее важные из которых следующие:

1. Возможность выбора трех режимов работы (использование только системы GPS; использование только системы ГЛОНАСС; совместное использование систем).

2. Возможность включения или отключения режима коррекции ионосферного и тропосферного запаздывания с использованием соответствующих моделей.

3. Возможность включения или отключения режимов калмановской фильтрации, накопительного сглаживания, выравнивания дальномерных данных по фазе несущей.

4. Возможность работы в системах координат WGS - 84, СК-42 и других.

Наблюдательный пункт располагался в здании учебного корпуса №1 Иркутского филиала

МГТУ ГА. На крыше здания размещена специализированная антенна, обеспечивающая прием сигналов спутников ГЛОНАСС/GPS с достаточно полным обзором неба.

При оценке точности позиционирования использовались данные о точном местоположении приемной антенны. Эти данные были получены с помощью геодезической привязки с гарантированной точностью определения координат антенны не менее 20 см [1].

Сначала проводились серии измерений на аппаратуре МНП-М3 в течение ряда последовательных суток. Затем выполнялись измерения на двух параллельно работающих однотипных устройствах МНП-М3, подключенных к одной приемной антенне. Такой режим работы не является штатным для аппаратуры и антенны, однако правомерность его применения продемонстрирована экспериментально.

Измерения и обработка данных проводились следующим образом. Аппаратура включалась в работу на сеансы длительностью около суток. В течение этого суточного прогона через последовательный интерфейс RS-232 на персональном компьютере производилась запись файла данных. Аппаратура МНП-М3 позволяет передавать данные по протоколу NMEA, включая горизонтальные (планарные) координаты антенны и ее высоту в выбранной системе координат. На персональном компьютере данные принимались стандартной программой HyperTerminal и сохранялись в виде текстового файла. Далее, с применением специально разработанной программы, из этого файла извлекались и заносились в таблицу необходимые данные с выбираемым шагом по длительности и в заданном диапазоне времени. Визуализация и анализ извлекаемых данных проводились с применением программного обеспечения OriginPro.

Работа выполнена при поддержке Министерства образования и науки Российской Федерации (проект 14.740.11.0078 федеральной целевой программы «Научные и научно-педагогические кадры инновационной России» на 2009-2013 годы»).

Сравнение точности позиционирования в системах ГЛОНАСС и GPS

В первую очередь было проведено сравнение точности позиционирования при использовании систем ГЛОНАСС и GPS. На рис. 1 представлен временной ход погрешности определения высоты, измеряемой аппаратурой МНП-М3, в сеансе 14.02.2011. По горизонтальной оси отложено время t в минутах относительно начала сеанса в 14.00 местного времени. По вертикальной оси - разность определяемой и истинной высот h по данным GPS (сплошная линия) и ГЛОНАСС (пунктирная линия). Можно видеть, что в среднем высота, определяемая по системе ГЛОНАСС, существенно превышает высоту, определяемую по системе GPS. Численно соответствующие средние значения составляют 9.0 и 5.2 метра. Наиболее вероятная причина расхождения заключается в том, что для GPS работает коррекция ионосферного запаздывания радиосигналов в ионосфере с использованием модели полного электронного содержания Клобучара [2], в то время как в системе ГЛОНАСС в настоящее время такая коррекция не реализована.

Рис. 1. Временной ход погрешности высоты систем ГЛОНАСС и GPS в сеансе 14.02.2011

На рис. 2 представлены аналогичные временные ходы определяемой долготы «long» и широты «lat», приведенные к единицам длины вдоль параллели и меридиана для этого же сеанса измерений. Значения long и lat также представляют собой разности значений, измеряемых аппаратурой МНП-М3, и истинных значений долготы и широты из [1].

t, min

t, min

Рис. 2. Временной ход погрешности определения широты (а) и долготы (б) в сеансе 14.02.2011. Обозначения те же, что на рис. 1

Из рис. 1, 2 легко видеть, что планарные координаты определяются одночастотной аппаратурой с гораздо более высокой точностью по сравнению с вертикальной координатой. Это объ-

ясняется тем, что ионосферное и тропосферное запаздывание оказывает гораздо меньшее влияние на определение планарных координат в условиях достаточно полного обзора неба, имеющего место в представляемых экспериментах. Для системы GPS полученные координаты вообще сравнимы по точности со значениями, представленными в геодезической привязке [1]. Ошибка составляет несколько дециметров. Ошибки определения долготы и широты в ГЛОНАСС в несколько раз больше. Кроме того, из рисунков можно видеть наличие общего тренда в определяемых координатах.

К сожалению, проведенное исследование показало, что позиционирование в ГЛОНАСС, представленное сеансом 14.02.2011, нельзя считать типичным. В ряде других сеансов наблюдалось весьма странное поведение во времени определяемых координат. Так на рис. 3 представлен временной ход высоты, определяемой в ГЛОНАСС в сеансе 16.02.2011 с 14 часов 00 минут до 8 часов 00 минут следующих суток. Маркировка кривых аналогична представленным выше графикам.

Рис. 3. Временной ход погрешности определения высоты в сеансе 16.02.2011.

Обозначения те же, что на рис. 1

Зафиксированные на графике скачки и выбросы свидетельствуют о нестабильности процесса позиционирования. Такая же ситуация наблюдалась и для планарных координат.

Как уже отмечалось, аппаратура МНП-М3 может работать в системе GPS, в системе ГЛОНАСС, а также при совместном их использовании. На рис. 4 представлены временные вариации высоты для сеанса 14.02.2011. Здесь приняты другие обозначения - процесс позиционирования при использовании GPS показан сплошной линией, а при совместном использовании GPS и ГЛОНАСС - пунктирной. Как можно видеть, какого-либо существенного увеличения точности при совместном использовании не наблюдается. Аналогичная картина имела место и во всех других сеансах. Однако следует обратить внимание на интересную особенность - при совместной работе систем скачков и выбросов, характерных для работы только в ГЛОНАСС, не обнаруживается.

t, min

Рис. 4. Временной ход погрешности высоты при использовании только GPS

Описанные выше результаты экспериментов свидетельствуют о том, что либо сама система ГЛОНАСС в настоящее время не обеспечивает стабильную работу наземной аппаратуры, либо причина кроется в конкретной реализации аппаратуры и её программного обеспечения. В этой связи все дальнейшие эксперименты проводились с использованием только системы GPS.

Оценка эффективности ионосферной и тропосферной коррекции в GPS

Опция включения и отключения ионосферной и тропосферной коррекции в аппаратуре МНП-М3 позволяет оценить эффективность этих видов коррекции в процессе решения аппаратурой навигационной задачи.

На рис. 5 представлены временные вариации ошибки вертикального позиционирования в сеансе 14.02.2011. Как и ранее, были задействованы два приемника, подключенные к одной антенне. Сплошной линией показан временной ход разности определяемой и истинной высоты

Рис. 5. Влияние ионосферно-тропосферной коррекции на временной ход высоты для сеанса 14.02.2011. Сплошная линия - позиционирование без коррекции, пунктир - с коррекцией

без коррекции, а пунктирная линия отображает этот же ход при включенной коррекции тропосферного и ионосферного запаздывания. В данном сеансе вклады ионосферной и тропосферной коррекции примерно одинаковы. Среднее для данного сеанса значение ошибки высоты уменьшается с 26.3 м до 7.4 м при включении коррекции. Хотя коррекция работает достаточно эффективно, её остаточная ошибка весьма велика и связана с низкой точностью используемой в ней модели Клобучара [2].

Как уже отмечалось выше, роль ионосферной и тропосферной коррекции в определении планарных координат значительно скромнее. На рис. 6 показаны соответствующие кривые для определяемой долготы и широты (приведенные к единицам длины).

t, min t. min

Рис. 6. Временной ход погрешности определения долготы (а) и широты (б) в сеансе 14.02.2011. Обозначения те же, что на рис. 5

Для долготы некорректированная и корректированная ошибки составляют -0.26 м и -0.31м. Эти значения сопоставимы с объявленной точностью геодезической привязки 0.2 м так, что делать выводы об эффективности коррекции для долготы нельзя.

Как видно из рис. 6 б, для широты имеет место ситуация, аналогичная долготе. Некорректированная и корректированная средняя ошибки здесь составляют 0.03 м и -0.08 м соответственно.

Представленные средние оценки точности позиционирования в горизонтальной плоскости выглядят весьма оптимистично, однако на самом деле не в полной мере отражают реальное положение вещей. Как можно видеть из представленных графиков, дисперсии ошибок для горизонтальных координат довольно большие: среднеквадратичные отклонения составляют десятки сантиметров. Кроме того, описываемый сеанс 14.02.2001 относится к спокойным гео- гелиофизиче-ским условиям. Среди других сеансов были обнаружены случаи, когда и средние ошибки, и стандартные отклонения увеличиваются в разы. В этой связи уместно отметить, что в паспортных данных используемой аппаратуры МНП-М3 указано, что пределы допустимой инструментальной погрешности при доверительной вероятности 0.95 для измерения координат составляют 15 м.

Интересная особенность была выявлена при анализе ошибок позиционирования в трех последовательных сутках 14, 15 и 16 февраля 2011 года. На рис. 7 показаны вариации высоты в сеансах с 15 до 23 часов местного времени указанных дней. Аппаратура работала в режиме с ионосферной и тропосферной коррекцией так, что регулярный суточный ход полного электронного содержания в основном был исключен, а остаточные вариации следует рассматривать как случайные флуктуации.

Для наглядной визуализации первая из этих кривых смещена вниз на 7 метров, а третья кривая - на 7 метров вверх. Особенность представленных результатов заключается в том, что несмотря на случайный характер вариаций, их временной ход коррелирован во всех трех сутках. Это хорошо наблюдается на рис. 7, а коэффициент корреляции Пирсона между кривыми имеет значение около 0.7. Разумеется, подобие суточных ходов нельзя отнести на счет повторения вариаций полного электронного содержания или тропосферного запаздывания. Напомним, что регулярные хода были исключены. Объяснение может заключаться только в том, что здесь имеет место влияние многолучевости, характеризуемое окружающим ландшафтом. Поскольку конфигурация созвездия наблюдаемых навигационных спутников имеет полусуточный период, а ландшафт не меняется, такое объяснение выглядит разумным.

20 18 -16 -14 -12 -

10 -£ -- 8: е -

4 -2 -0 --2 -

-4 -

0 100 200 300 400 500

t, min

Рис. 7. Временной ход погрешности определения высоты в сеансе 14-16.02.2011: Сплошной линией - 14.02.2011; пунктир - 15.02.2011; точки - 16.02.2011

Альтернативная интерпретация может быть связана с ошибками эфемерид навигационных спутников при решении навигационной задачи, которые рассчитываются с суточным периодом. Выбор из этих или иных возможных альтернатив может быть сделан на основе планируемых в дальнейшем параллельных измерений в двух наблюдательных пунктах.

Заключение

Сформулируем основные выводы проведенного исследования:

1. Система ГЛОНАСС в настоящее время не обеспечивает в полной мере стабильную работу наземной аппаратуры.

2. Существенного увеличения точности позиционирования при совместном использовании систем ГЛОНАСС и GPS не наблюдается.

3. Коррекция тропосферного и ионосферного запаздывания в системе GPS работает недостаточно эффективно из-за низкой точности используемой в ней модели полного электронного содержания Клобучара.

ЛИТЕРАТУРА

1. О выполнении геодезических работ по определению координат GPS антенн // Технический отчет. - Иркутск, ООО «Землеустроитель», 2006.

2. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algoritm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System, v.23, № 3, 1986.

COMPARISON OF PRECISION POSITIONING EQUIPMENT SINGLE-GLONASS AND GPS

Bylinin Х.Е., Gorbachev O.A., Ivanov V.B., Khazanov D.V.

Experimental study of accuracy of positioning systems GLONASS / GPS using a single frequency equipment MNP-M3 production Izhevsk Radio Plant. It is shown that the GLONASS system does not always guarantee the stable operation of ground equipment, and in the GPS ionospheric and tropospheric corrections made with insufficient efficiency.

Key words: satellite radio navigation, ionosphere, troposphere, single-frequency equipment.

Сведения об авторах

Былинин Константин Евгеньевич, 1957 г.р., окончил ВПУ КГБ СССР (1981), ведущий инженер кафедры АРЭО Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 5 научных работ, область научных интересов -наземные радионавигационные системы.

Горбачёв Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), доктор технических наук, доцент, директор Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 45 научных работ, область научных интересов - радионавигация.

Иванов Всеволод Борисович, 1948 г.р., окончил ИГУ (1972), доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиофизики ИГУ, автор 90 научных работ, область научных интересов - радиофизика.

Хазанов Дмитрий Владимирович, 1954 г.р., окончил ИГУ (1976), кандидат физико-

математических наук, заведующий кафедрой ЕНД Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 43 научных работ, область научных интересов - физика ионосферной плазмы.