Сравнительный анализ суточных вариаций ионосферы на точность определения координат и высот двухчастотными и одночастотными радионавигационными приемниками

Comparative analysis of the diurnal variations in the ionosphere on the accuracy of the determination coordinates and altitudes of dual frequency and single frequency radio

navigation receivers

Agaryshev A. , Simonenko A.

Сравнительный анализ суточных вариаций ионосферы на точность определения координат и высот двухчастотными и одночастотными радионавигационными

приемниками

12

Агарышев А. И. , Симоненко А. М.

]Агарышев Анатолий Иванович /Agaryshev Anatoly - доктор физико-математических наук, профессор;

2Симоненко Андрей Михайлович /Simonenko Andrey - аспирант, кафедра радиоэлектроники и телекоммуникационных систем,

Иркутский национальный исследовательский технический университет, г. Иркутск

Аннотация: приведены результаты первого этапа экспериментальных исследований суточных вариаций ионосферы на точность позиционирования двухчастотных и одночастотных спутниковых радионавигационных приемников. Установлено, что наиболее максимальные отклонения от средних значений широты, долготы и высоты возникают в утренние и вечерние часы суток.

Abstract: the results of the first phase of the experimental study of the diurnal variations of the ionosphere on the accuracy of single-frequency and dual-frequency positioning satellite radio receivers. It was found that the most maximum deviation from the mean latitude, longitude and altitude to arise in the morning and evening hours.

Ключевые слова: вариации ионосферы, двухчастотный спутниковый приемник, групповые задержки радиоволн, определение координат, спутниковые радионавигационные системы.

Keywords: variations of the ionosphere, dual-frequency satellite receiver, group delay of radio waves, determining coordinates, satellite navigation systems.

Введение и постановка задачи

Задача повышения точности определения координат приёмников 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 [1, 2]: 1) аппаратурные погрешности, такие как ошибки прогнозирования координат навигационных космических аппаратов (НКА), ошибки определения моментов излучения навигационных сигналов (НС), ошибки обработки сигнала в приёмниках 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 [3, 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 b~5-10° при сильных изменениях критических частот ионосферы (f0) вдоль радиолиний НКА-АП [2]. Такие изменения максимальны в утренние часы суток зимой при высокой активности Солнца на радиолиниях широтного направления, когда горизонтальные градиенты f0 могут достигать 0.5 МГц на 100 км [2]. Ввиду существенного роста значений случайных изменений дополнительных задержек радиоволн, обусловленного влиянием среды, радиосигналы НКА с b<5° в АП не обрабатываются [1].

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 объёму фигуры, образуемой НКА и АП в пространстве [1], что показывает рис.1.

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

наземного приёмника СРНС

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

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 земли, где расположен приёмоиндикатор, времени суток, года, солнечной и геомагнитной активности и составляет 5...500 нс. Среднее значение ионосферной задержки на частоте средневысотной спутниковой радионавигационной системы составляет 5...10 нс ночью и 30...50 нс днём, 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 и одночастотных радиоприёмников 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, подключенным 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 аэрогеодезического предприятия и является пунктом фундаментальной астрономо-геодезической сети «Иркутск». Второй пункт IRKJ 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 приведён в таблице 1.

Таблица 1. Пример регистрации данных радиоприёмников 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

В таблице 1 использованы следующие обозначения: SITE - наименование пункта измерений; MM/DD/YY -дата измерений (месяц, день, год), HH:MM:SS - время UTC (часы, минуты, секунды); SVs=17 -количество наблюдаемых спутников; PDOP - геометрический фактор точности; N, E - значения широты и долготы (доли градуса); Н - эллипсоидальная высота приёмной антенны над уровнем моря, м.

Методика обработки экспериментальных данных

Из таблицы 1 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 j определялись средние значения долготы Ej, широты Nj и высоты Hj, которые подвергались дальнейшей обработке, в результате которой определялись средние значения Ec, Nc, НС, а также отклонения от этих средних AEj = Ej - EC, ANj = Nj - N0 AHj = Hj - HC. Сглаживание экспериментальных зависимостей производилось с интервалом 60 минут. Для обработки данных был выбран магнитоспокойный день с 00.00 до 24.00 по UTC 24.07.2012 года. Были обработаны массивы данных с двух приемников, работающих синхронно.

На следующем этапе исследований строились зависимости измеренных значений AEj, Aj AHj 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

местоопределения АП. Два одинаковых приемника выдавали значения высот, широт, долгот в одинаковых условиях в непосредственной близости друг от друга с одинаковым интервалом измерений 30 секунд (Рис. 2-7).

Рис. 2. Высота антенны IRKJ 23.07.2012 г. в зависимости от отсчётов, с

Рис. 3. Широта антенны IRKJ 23.07.2012 г. в зависимости от отсчётов, с

Рис. 4. Долгота антенны IRKJ 23.07.2012 г. в зависимости от отсчётов, с

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

Рис. 6. Широта антенн 23.07.2012 г. в зависимости от отсчётов, с

Рис. 7. Долгота антенны IRKJ 23.07.2012 г. в зависимости от отсчётов, 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 IRKU, которые возникают в интервале от 14.00 до 15.00. Так как время UTC отличается от местного Иркутского времени на 8 часов, то данное распределение приходится на 23.00 (вечернее время). Максимальные отклонения от среднего значения составляют порядка 7 м по высоте. При рассмотрении зависимостей высоты и широты от времени суток на пункте IRKJ (Рис. 5-7), максимальные флуктуации возникают также в вечерние часы. Как видно из рисунка 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.

При статистической обработке данных использовались различные интервалы сглаживания 60 мин, 30 мин и 15 минут. 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 их СКП. 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 минуте, 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.

Данные результаты были проанализированы с результатами исследований, полученными в ходе исследований по влиянию возмущений ионосферы в момент перехода «День-ночь», полученными одночастотными приемниками СРНС [5]. По результатам обработки данных с одночастотных приемников видно, что максимальные отклонения могут достигать десятки метров, при двухчастотных измерениях максимальные отклонения составляют порядка 7.5 метра и возникают в момент перехода «День-ночь».

Выводы

Результаты работы можно использовать для совершенствования алгоритмов обработки навигационной информации и результатов измерений в приёмниках СРНС с целью повышения точности определения их координат.

Литература

1. Шебшаевич В. С., Дмитриев П. П., Иванцевич Н. В. и др. Сетевые спутниковые радионавигационные системы; Под ред. В. С. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

2. ГЛОНАСС. Принципы и построение, и функционирования. / Под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. Изд. 4-е перар. и доп. - М.: Радиотехника. 2010. 800 с.

3. Агарышев А. И., Потапов Д. В. Моделирование групповых задержек при распространении радиоволн через переходную область ионосферы. - Распространение радиоволн: сборник докладов XXI Всероссийской научной конференции. В 2-х т. Йошкар-Ола. 25-27 мая 2005 г. - Йошкар-Ола: МарГТУ, 2005. Т. 2.-С. 265-267.

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, 200242518, 1996, pp. 485-515.

5. Агарышев А. И., Мазавин Д. В., Салахутдинов Т. Р., Тетелев М. А., Шерстнёв Е. Г. Анализ влияния углов приема радиоволн от НКА на точность определения координат. Распространение радиоволн: сборник докладов XXIII Всероссийской научной конференции, г. Иркутск.