CC BY
48
УДК 621.396.6:629.7.05
СТАТИСТИКА ФАЗОВЫХ СБОЕВ СИГНАЛОВ GPS ПО ИЗМЕРЕНИЯМ НА ОДНОЧАСТОТНЫХ ПРИЕМНИКАХ
О.А. ГОРБАЧЕВ, В.Б. ИВАНОВ, П.В. РЯБКОВ, Д.В. ХАЗАНОВ
Проведена статистическая обработка данных измерений фаз сигналов спутников навигационной системы GPS, на основе которой установлена явно выраженная зависимость вероятности потери фазы принимаемого сигнала от зенитного угла навигационного спутника и менее сильная зависимость от времени суток. Сделаны рекомендации разработчикам одночастотных приемников GPS относительно увеличения угла маски навигационного спутника до 200
Ключевые слова: сигналы GPS, одночастотные приемники GPS, спутниковые системы навигации.
Цель данной работы - исследовать регулярные вариации вероятности сбоя фазы в сигнале, принятом одночастотным приемником спутниковой навигационной системы (СНС) GPS. Работа основана на методике определения ионосферных погрешностей с помощью одночастотных приемников GPS, разработанной на кафедре АРЭО Иркутского филиала МГТУ ГА и представленной в ряде работ авторов [1-4]. Основная задача исследования заключалась в проведении ряда измерений фаз принимаемых спутниковых сигналов и определении на их основе зависимости вероятностей сбоев фазы в принятом сигнале GPS от зенитного угла навигационного спутника (НС), времени суток и индекса геомагнитной активности.
Актуальность работы для ГА следует из того, что рост вероятности сбоя фазы в принятом сигнале СНС снижает эффективность навигационного обеспечения ВС ГА вследствие увеличения ошибки определения координат ВС бортовой аппаратурой, использующей одночастотные приемники СНС в качестве основного средства навигации. Особенно это проявляется на этапе полета ВС в районе аэродрома.
Потери фазы в навигационных приемниках являются, как известно, наиболее часто возникающими помехами для выполнения приемниками их основных функций - определения координат и вектора скорости ВС. Вероятности возникновения указанных событий зависят от многих факторов и являются объектом экспериментальных исследований, проводимых в различных условиях и на различной аппаратуре. В данной статье представляются результаты соответствующих измерений, выполненных на достаточно простых одночастотных приемниках GPS в условиях городской застройки.
Эксперименты проводились в осенне-зимний период 2009 года на базе измерительного пункта, оборудованного навигационным приемником GARMIN GPS V, специализированной приемной антенной и персональным компьютером. Пункт расположен в учебном корпусе №1 Иркутского филиала МГТУ ГА, в точке с координатами: 52016/32.8//с.ш., 104°17/22.2'!'в.д. Методика получения и обработки данных заключалась в следующем. Организовывались суточные наблюдения, в которых формировались RINEX-файлы, содержащие временные изменения фазы принимаемых сигналов GPS, полученные от всех видимых во время эксперимента НС. Всего было проведено 20 таких суточных сеансов. Все сеансы разбивались на 15-минутные фрагменты, в которых графически отображались временные вариации фазы принимаемых сигналов. При этом событие «потеря фазы» обнаруживалось визуально. Для примера на рис. 1 показаны два типичных 15-минутных фрагмента измерений с одним и несколькими событиями «потеря фазы», которые далее будем называть фазовыми сбоями. Фаза и время представлены в относительных единицах. Фрагмент именовался «сбойным», если в нем присутствовал хотя бы один фазовый сбой. Таким образом, в данном контексте под вероятностью потери фазы следует понимать вероятность того, что один или несколько сбоев произойдут именно на 15-минутном интервале измерений.
Рис. 1. Два типичных 15-минутных фрагмента измерений с одним (слева) и несколькими (справа) фазовыми сбоями
С помощью специально разработанного программного обеспечения в течение всего времени наблюдений для каждого из видимых спутников рассчитывался зенитный угол, который рассматривался как один из факторов, определяющих вероятность фазовых сбоев. Отметим, что зенитный угол НС напрямую связан с важнейшим параметром связки «НС-приемник» - углом места внс простым соотношением вЗУ =р/2 -внс. В качестве второго фактора рассматривалось местное время суток. Третьим фактором, управляющим вероятностью фазового сбоя, предполагался планетарный индекс геомагнитной активности - так называемый КР-индекс. Сразу отметим, что значения КР-индекса выдаются в сети Ш;ете1 примерно через месяц после даты эксперимента на сайте [5], что не позволяет выбрать для времени проведения эксперимента необходимые даты. К сожалению, период проведения данного эксперимента соответствовал низкой геомагнитной активности со значениями КР-индекса в пределах от 0 до 2. В этих условиях сколько-нибудь заметной зависимости вероятностей фазовых сбоев от КР-индекса не обнаружилось, однако этот результат нельзя распространять на более высокие значения индекса геомагнитной активности.
Суточный ход наблюдений разбивался на восемь 3-часовых интервалов. Диапазон зенитных углов разбивался на девять 10-градусных интервалов. Все данные сортировались по ячейкам, соответствующим определенному значению пары «зенитный угол - время», в каждой из которых определялась вероятность сбоев как отношение сбойных 15-минутных фрагментов к полному числу фрагментов, попавших в данную ячейку.
Вероятность фазовых сбоев как функция двух указанных параметров представлена на рис. 2 в виде 3Б-графика. Здесь по вертикали отложены вероятности сбоев, по оси Х - номера диапазонов зенитных углов, по оси У - номера временных диапазонов, представленных в табл. 1.
Таблица 1
Номер диапазона 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Зенитный угол О О т о О •I- ю о о 210-300 310-400 410-500 510-600 610-700 0 •I- 00 о о 810-900
Локальное время, ч. 07-09 2 т 0 т 3 8 Т 19-21 22-24 01-03 04-06
Рис. 2. Зависимость вероятности фазовых сбоев от двух факторов: зенитного угла НС и локального времени
Из представленного рисунка можно видеть, что имеет место ярко выраженная зависимость вероятности фазового сбоя от зенитного угла и менее сильная зависимость от времени суток. Более наглядно угловая зависимость иллюстрируется при усреднении по всем временным интервалам. Соответствующая гистограмма представлена на рис. 3. Здесь цифры по горизонтальной оси - номера диапазонов зенитных углов согласно табл. №1.
0.6-
1 3 5 7 9
вЗУ
Рис. 3. Зависимость вероятности фазового сбоя от зенитного угла
Наблюдаемое увеличение вероятности фазовых сбоев при больших зенитных углах очевидно связано с возникновением многолучевости в условиях, когда НС располагается низко над горизонтом. Напомним, что в программном обеспечении ОР8-приемников существует запрет на использование при решении навигационной задачи тех НС, для которых внс < 5° ^ 7° [6]. Данное значение угла места называется углом маски НС. Из данных, представленных на рис. 3, видно, что при в у > 7°° вероятность фазового сбоя превышает 5°%. Таким образом представляется обоснованной практическая рекомендация разработчикам навигационных приемников увеличить угол маски НС до 2°°.
На рис. 4 представлена гистограмма распределения вероятности фазовых сбоев в суточном ходе при усреднении по всем углам спутников. Здесь цифры по горизонтальной оси - номера временных диапазонов согласно табл. 1.
0.3
P 0.2 0.1 0
2 4 6 8
L T
Рис. 4. Зависимость вероятности фазового сбоя от местного времени (LT)
Из рис. 4 можно видеть, что имеется заметная тенденция к увеличению вероятности фазовых сбоев сигналов GPS в ночное время по сравнению с дневными условиями. Этот факт имеет достаточно простое объяснение, связанное с тем, что относительная возмущенность (неоднородности) ионосферы в ночные часы более высока, чем днем.
Основным практическим результатом данной работы можно считать то, что экспериментально установлена статистическая зависимость вероятности фазовых сбоев от зенитного угла (или угла места НС), следствием которой является необходимость увеличения значения угла маски НС до 200.
ЛИТЕРАТУРА
1. Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы // Научный Вестник МГТУ ГА. - 2006. - №107.
2. 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.
3. Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностике флуктуаций полного электронного содержания в ионосфере по измерениям одночастотными приемниками GPS: сб. научн. тр. "Солнечно - земная физика".
- Изд-во Сибирского отделения РАН, 2010. - Вып. 13 (126).
4. Горбачев О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. Вариации полного электронного содержания по измерениям на одночастотных приемниках GPS // Научный Вестник МГТУ ГА (настоящий выпуск).
5. http://forecast.izmiran.rssi.ru/
6. Interface Control Document GPS // ICD-GPS-200С-002, 1997.
THE STATISTICS OF GPS PHASE FAILURE BY SINGLE-FREQUENCY RECEIVER MEASUREMENTS
Gorbachev O.A., Ivanov V.B., Rjabkov P.V., Khazanov D.V.
The statistical data processing of signal phase measurements of GPS navigation system satellites has been done. On these data the explicit dependence of received signal of phase loss upon the zenith angle of navigation satellite and lighter dependence upon the day-time was determined. The guidance for designers of single-frequency GPS receivers concerning the matter of increasing up to 20 degrees the angle of navigation satellite mask have been done.
Key words: GPS signals, GPS signal-frequency receivers, satellite navigation systems.
Сведения об авторах
Горбачев Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), доктор технических наук, директор Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 38 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.
Иванов Всеволод Борисович, 1948 г.р., окончил ИГУ (1972), доктор физико-математических наук, профессор кафедры радиофизики ИГУ, автор 87 научных работ, область научных интересов - радиофизика.
Рябков Павел Владимирович, 1974 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1996), преподаватель кафедры ВАИУ, автор 10 научных работ, область научных интересов - радионавигация.
Хазанов Дмитрий Владимирович, 1954 г.р., окончил ИГУ (1976), кандидат физико-
математических наук, заведующий кафедрой Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 42 научных работ, область научных интересов - физика ионосферной плазмы.
