CC BY
156
УДК 621.396.6:629.7.05
О ВОЗМОЖНОСТИ ВЫСОКОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ СНС GPS/ГЛОНАСС С ПОМОЩЬЮ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПРИЁМНИКОВ
О.А. ГОРБАЧЁВ, Е.Е. НЕЧАЕВ, П.В. РЯБКОВ
Показано, что организация в районе аэродрома сети измерительных пунктов на базе одночастотных приемников GPS/ГЛОНАСС позволяет в режиме реального времени определять нерегулярные вариации погрешностей спутниковых навигационных систем (СНС). В результате появляется возможность создания «карты» навигационных погрешностей СНС с высоким пространственно-временным разрешением для обеспечения категорированной посадки ВС.
Ключевые слова: одночастотный приёмник, спутниковые навигационные системы, погрешность.
Введение
Спутниковые навигационные системы являются основой концепции ICAO CNS/ATM, так как на их базе построены подсистемы навигации и наблюдения в системе УВД [1]. Эффективность реализации концепции CNS/ ATM зависит от точности позиционирования, обеспечиваемой СНС. Все функционирующие сегодня СНС обеспечивают требуемую точность позиционирования ВС при маршрутном полете, однако на этапе полета ВС в районе аэродрома заявленной производителями СНС точности уже не хватает. Особенно остро эта проблема встает при навигационном обеспечении категорированной посадки [2,3].
Известно, что главной причиной недостаточной точности СНС является ионосферная погрешность, причем установлена прямая зависимость между этой погрешностью и полным электронным содержанием (ПЭС), то есть количеством электронов в столбе единичного сечения, соединяющем навигационный спутник и приемник. ПЭС постоянно испытывает регулярные и нерегулярные вариации, амплитуда которых возрастает в периоды ионосферных возмущений. При особо сильных возмущениях ионосферы амплитуда вариаций ПЭС может достигнуть критической величины, при которой функционирование СНС становится невозможным [4]. Таким образом ионосфера является основным фактором, снижающим эффективность навигационного обеспечения ВС ГА при использовании СНС в качестве основного средства навигации, откуда следует, что определение вариаций ионосферных погрешностей является важной для Г А задачей.
В двухчастотных приемниках определение ионосферных погрешностей производится с достаточной точностью [5]. Однако в бортовом навигационном оборудовании ВС ГА используются только одночастотные приемники СНС, для которых определение ионосферных погрешностей представляет собой сложную научно-техническую проблему, напрямую влияющую на безопасность полетов ВС ГА.
Существует готовое решение данной проблемы - организация в районе аэродрома дифференциального режима работы СНС с помощью локальной дифференциальной подсистемы (ЛДПС), что позволяет снизить погрешность СНС до единиц метров. Однако такое решение имеет хорошо известные недостатки - высокую стоимость ЛДПС и необходимость высокоточной геодезической привязки наземных контрольно-корректирующих станций (ККС). Кроме того, эффективность дифференциального режима снижается при удалении потребителя навигационной информации от ККС.
В данной работе мы предлагаем другой подход к решению проблемы определения ионосферных погрешностей СНС, состоящий из двух этапов:
Первый этап: Определение регулярных вариаций ионосферных погрешностей СНС амплитудой единицы-десятки метров путем расчета полного электронного содержания с помощью разработанной в [6] физико-математической модели системы «ионосфера-плазмосфера».
Второй этап: Определение нерегулярных вариаций навигационных погрешностей амплитудой в несколько дециметров с помощью разработанной в [7,8] методики, основанной на анализе параметров принятого одночастотным приемником сигнала.
Определение регулярных вариаций ионосферных погрешностей СНС
Для компенсации ионосферных погрешностей в одночастотных приемниках СНС GPS используется модель Клобучара [9,10]. Известно, что данная модель весьма не точна по сравнению с другими ионосферными моделями и ее применение в СНС обусловлено простотой её реализации в программном обеспечении одночастотных приемников. По оценкам [11] модель Клобучара компенсирует примерно 50% ионосферной погрешности СНС. При этом в модели не учтены регулярные вариации ПЭС, а также зависимость ПЭС от уровня геомагнитной и солнечной активности. Тем не менее, положение в СНС GPS более или менее благополучно по сравнению с СНС ГЛОНАСС, в которой вообще не предусмотрены компенсации ионосферных погрешностей при одночастотном приеме.
В работе [6] представлена физико-математическая модель системы «ионосфера-плазмосфера» и результаты численного моделирования регулярных вариаций ПЭС на её основе (под регулярными вариациями ПЭС здесь мы будем понимать суточные, сезонные, широтные вариации, а также зависимость ПЭС от уровня геомагнитной и солнечной активности).
Основные отличия данной модели от уже существующих:
1. Объектом моделирования является система «ионосфера-плазмосфера», включающая в себя орбиты навигационных спутников (область высот от 100 до 30000 км).
2. Теоретическая основа модели - система гидродинамических уравнений, описывающих распределение основных параметров плазмы, таких как концентрация заряженных частиц, их направленная скорость и температура.
3. Небольшое количество входных параметров: широта, индексы солнечной и геомагнитной активности, параметры нейтральной атмосферы.
4. Корректный учет коллективных эффектов в низкотемпературной плазме, в частности, взаимодействия «волна-частица», позволяющий построить реалистичные профили полного электронного содержания, выявить источники низкочастотного излучения, влияющие на функционирование навигационных систем, определить зоны, в которых происходит аномальное рассеяние и затухание сигналов СНС.
5. Возможность интегрирования модели в программное обеспечение одночастотных приемников СНС.
Численные расчеты, проведенные в [6], показали, что модель адекватно описывает регулярные вариации ПЭС. Кроме того, получены следующие новые результаты:
1. В условиях возмущенной ионосферы в диапазоне широт 66°^75° происходит значительный (до 35% относительно невозмущенного уровня) рост ионосферной погрешности с соответствующим снижением точности навигационного обеспечения ВС ГА.
2. Выявлены новые регулярные источники низкочастотного излучения, приводящие к потере работоспособности навигационных систем, входящих в состав региональной дифференциальной подсистемы Eurofix.
3. Показано, что в высокоширотной возмущенной ионосфере существует зона аномального рассеяния сигналов СНС, которая является причиной сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА.
В качестве примера модельных расчетов на рис. 1 представлен суточный ход вертикального ПЭС в единицах TECU (Total Electron Content Unit, 1 TECU = 1010 см-2) при угле места 450 для возмущенных условий (индекс геомагнитной активности Кр = 4) в северном полушарии (ф = 69.30) в сравнении с экспериментальными измерениями ПЭС, выполненными на базовых станциях GPS с помощью двухчастотных приемников [12].
Iv, TECU
1_Т
Рис. 1. Суточный ход вертикального ПЭС для возмущенных условий в северном полушарии (ф = 69.3 ), восстановленный по файлам ЮКЕХ (квадраты) и вычисленный по модели системы «ионосфера-плазмосфера»
(сплошная кривая - с учетом, пунктир - без учета коллективных эффектов)
Хорошо видно, что рассчитанные по модели регулярные вариации ПЭС с высокой точностью (отклонение не более 10%) совпадают с экспериментальными значениями, что позволяет учесть до 90% ионосферной погрешности СНС при использовании модели в программном обеспечении одночастотных приемников СНС и добиться точности навигационных определений не хуже единиц метров.
Определение нерегулярных вариаций ионосферных погрешностей СНС
Принцип работы СНС дает возможность корректировки её погрешностей, исходя из анализа параметров сигналов навигационных спутников (НС), прошедших ионосферу. Отсюда следует возможность создания методик определения ионосферной погрешности СНС. Обычно эти методики базируются на известных свойствах двухчастотных приемников, что делает невозможным их использование для повышения точности навигационного обеспечения ВС ГА. В работах [7,8] разработана методика определения ионосферных погрешностей СНС на базе измерительного пункта, использующего в качестве аппаратного обеспечения одночастотный приемник невысокого класса точности. В [6] показано, что мониторинг навигационного поля СНС с помощью сети таких измерительных пунктов, расположенных в районе аэродрома, позволяет создавать «карты» навигационных погрешностей с высоким пространственно-временным разрешением для навигационного обеспечения категорированной посадки ВС. Уточним, что речь идет о погрешностях, обусловленных нерегулярными процессами в системе «ионосфера-плазмосфера».
Методика позволяет уверенно определять нерегулярные вариации навигационных погрешностей амплитудой в несколько дециметров. Основные отличия методики от уже существующих:
1. Высокое (~ 1 с.) временное разрешение при получении и обработке данных.
2. Возможность оперативного изменения местоположения измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях.
3. Низкая стоимость измерительных пунктов в сравнении с использованием двухчастотных приемников.
4. Возможность организации сети измерительных пунктов, определяющих в режиме реального времени нерегулярные вариации навигационных погрешностей амплитудой в несколько дециметров.
Уже первые эксперименты, проведенные на двух измерительных пунктах, организованных в Иркутском филиале МГТУ ГА, показали следующие результаты:
1. Получено экспериментальное подтверждение существования нерегулярных вариаций навигационных погрешностей, влияющих на качество навигационного обеспечения ВС ГА в районе аэродрома ФГУП «Аэропорт-Иркутск».
2. Обнаружены крупномасштабные периодические вариации навигационных погрешностей с периодом ~250 с.
3. По результатам синхронных измерений уровня сигналов СНС несколькими одночастотными приемниками определено расстояние между антеннами приемников на борту ВС, при котором погрешности определения его координат минимальны.
В качестве примера на рис. 2 представлены измерения синхронизированных по времени нерегулярных вариаций навигационных погрешностей СНС GPS двумя измерительными пунктами, расположенными в учебных корпусах Иркутского филиала МГТУ ГА.
Рис. 2. Синхронизированные по времени измерения нерегулярных вариаций навигационных погрешностей СНС GPS в пунктах №1 и №2 для навигационных спутников №5-№14 в период 18.30^21.16 местного времени, 04.04.08г.
Каждый измерительный пункт включает в себя: одночастотный приемник GARMIN GPS V, антенну, персональный компьютер (ноутбук) с установленным специализированным программным обеспечением, антенный кабель, кабель для соединения компьютера с приемником. В случае использования измерительного пункта вне пределов стандартной электросети необходим автономный источник питания. Стоимость комплекта оборудования без источника питания - приблизительно 50 тыс.руб.
Выводы
1. Внедрение модели системы «ионосфера-плазмосфера» в программное обеспечение одночастотных приемников GPS/ГЛОНАСС позволяет снизить регулярные вариации навигационных погрешностей до единиц метров.
2. Возможность регистрации нерегулярных вариаций навигационных погрешностей в режиме реального времени в районе аэродрома с помощью сети измерительных пунктов, оборудованных одночастотными приемниками GPS/ГЛОНАСС, позволяет повысить точность навигационного обеспечения до требований категорированной посадки ВС ГА.
ЛИТЕРАТУРА
1. Крыжановский Г.А. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. - М.: ИКЦ Академкнига, 2003.
2. Российский радионавигационный план. НТЦ «Интернавигация». Версия 2. - М., 1997.
3. Руководство по требуемым навигационным характеристикам (RNP). Doc 9613-AN/937, ICAO, 1994.
4. Афраймович Э.Л., Перевалова Н.П. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли. - Иркутск, 2006.
5. Яценков В.С. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. - М.: Горячая линия - Телеком, 2005.
6. Горбачев О.А. Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы: - дисс. . . . д-ра техн. наук. - М.: МГТУ ГА, 2009.
7. Горбачёв О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приёмников GPS для диагностики ионосферы // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника. - 2006. - № 107.
8. Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы (часть II) // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника. - 2007. - №117.
9. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algoritm for single-frequency GPS users // IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System, v.23, №3, 1986.
10. Interface Control Document GPS - ICD-GPS-200^002, 1997.
11. Hoffman-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System: Theory and Practice. // Springer-Verlag Wien, New-York, 1992.
12. http://cddisa.gsfc.nasa.gov/pub/gps/products/ionex.
ON THE POSSIBILITY OF HIGH-PRECISION NAVIGATIONAL ERRORS OF SATELLITE NAVIGATION SYSTEMS GPS/GLONASS WITH SINGLE-FREQUENCY RECEIVERS
O.A. Gorbachev, E.E. Nechaev, P.V. Rjabkov
It is shown that the organization in the airport area network of measuring points on the basis of single-frequency receivers GPS / GLONASS allows to determine the irregular variation of the errors of satellite navigation systems at realtime. As a result, it is possible to create a map of the navigational errors of satellite navigation systems with high spatial and temporal resolution to ensure categorized landing of the aircraft.
Key words: single-frequency receiver, satellite navigation systems, errors.
Сведения об авторах
Горбачёв Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), доцент, кандидат физикоматематических наук, директор Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 42 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор, проректор МГТУ ГА, заведующий кафедрой управления воздушным движением, автор 152 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ, использование спутниковых технологий при ОрВД.
Рябков Павел Владимирович, 1974 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1996), преподаватель ВАИУ, автор 10 научных работ, область научных интересов - радионавигация.
