CC BY
187
2010
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№ 152
УДК621.396.98
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ НАВИГАЦИОННЫХ ПАРАМЕТРОВ ИМПУЛЬСНО-ФАЗОВОЙ РАДИОНАВИГАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ ЗА СЧЕТ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ДАННЫХ ОТ СРНС
В статье приводятся экспериментальные результаты применения квазидальномерного алгоритма повышения точности определения навигационных параметров ипульсно-фазовой радионавигационной системы.
Ключевые слова: спутниковые радионавигационные системы, навигационные параметры, импульснофазовые системы.
Несмотря на широкое применение спутниковых радионавигационных систем (СРНС) для определения месторасположения объекта, импульсно-фазовые радионавигационные системы (ИФРНС) типа Лоран-С, Чайка продолжают свое развитее и не потеряли своей актуальности. Это объясняется тем, что ни одна из существующих систем не является универсальным навигационным средством.
ИФРНС характеризуется малыми точностями определения координат объекта, порядка 300 метров, но отличается хорошей помехоустойчивостью ввиду большой мощности передающего сигнала.
Примером еще одного направления использования импульсно-фазовых систем являются работы по созданию системы ЕиКОБІХ, представляющей собой комплексную систему обслуживания, использующую сигнал ИФРНС для передачи дифференциальных поправок и другой служебной информации потребителям спутниковой системы на большие расстояния.
Благодаря использованию СРНС для навигационных определений подвижных объектов появилась возможность повысить точность определения координат по ИФРНС. Использование координат, полученных от СРНС, позволяет снять систематическую ошибку, которая дает существенный вклад в погрешность измерения, оставив только шумовую составляющую. Тем самым можно существенно улучшить точность координат, полученных по ИФРНС.
Точность определения координат по ИФРНС во многом зависит от условий распространения радиоволн. Систематическая ошибка, которая существенно ухудшает точность, связана с наличием дополнительного набега фазы сигнала, которая порождается изменением скорости распространения радиоволн над земной поверхностью.
Для оценки факторов, влияющих на точность ИФРНС, рассмотрим поле электрической антенны над идеально проводящей плоскостью. В общем случае напряженность поля сигнала равна [1]:
С.М. ПИЧУГИН, П.В. ТРОШИН
Статья представлена доктором технических наук, профессором Рубцовым В.Д.
Введение
Факторы, влияющие на точность ИФРНС
П
где Р — излучаемая мощность; к = 2— — волновое число; ё — расстояние от излучателя до
X
приёмника; У(х,у,2) — медленно меняющаяся комплексная функция координат, обычно называемая функцией или множителем ослабления.
Для нас важнейшие значение имеет аргумент множителя ослабления, взятый с обратным знаком; он как раз и определяет дополнительную фазу:
<Рдоп = -агёУ {х,у,г).
Рассмотрим влияние воздействия различного рода природных факторов на фазу радиоволн над земной поверхностью и способы их учета.
Основной причиной дополнительного набега фазы сигнала является неоднородность электрических параметров подстилающей поверхности, которая включает в себя влияние:
- изменения параметров почвы вдоль трассы распространения;
- растительности;
- небольших колебаний высоты поверхности над уровнем моря;
- высоты точки приема;
- геометрических неоднородностей поверхностей.
Дополнительная фаза радиосигнала напрямую связана с проводимостью почвы. Воспользовавшись выводами, полученными в [1], можно заключить, что чем хуже проводимость почвы и чем больше длина волны, тем сильнее скорость распространения над сферической земной поверхностью отличается от скорости распространения в свободном пространстве. Под влиянием растительности, морского волнения, многих хаотически расположенных невысоких неровностей и т.п. поверхностная проводимость может отличаться на некоторую величину от вычисленного при учете электрофизических характеристик почвы, что приведет к изменению дополнительной фазы.
Дополнительная фаза довольно сложным образом зависит от высоты. Над земной поверхностью фронт радиоволны отличается от сферической волны в связи с поглощением энергии в почве. По мере подъема над земной поверхностью фронт радиоволны будет испытывать тенденцию к восстановлению, что приводит к уменьшению дополнительной фазы. Однако с дальнейшим ростом высоты появляется тенденция к увеличению дополнительной фазы в связи с увеличением длины трассы распространения радиоволн.
Методы компенсации дополнительной фазы в ИФРНС
Теперь рассмотрим существующие методы компенсации дополнительной фазы. Данные методы сводятся к расчету поправок на основе данных о поверхностном импедансе. Есть несколько способов расчета поправок.
1. Интерполяционные методы. В этом случае поправки вычисляются заранее для ограниченного числа пунктов рабочей зоны РНС. Далее для получения поправки в любой точке рабочей зоны используется формула линейной или квадратичной интерполяции.
2. Метод вычисления поправок с использованием карты проводимости. В этом случае производится непосредственный расчет дополнительной фазы на основе заранее известной информации о проводимости почвы.
Для реализации обоих этих методов необходима предварительная подготовка и ввод данных. Для реализации этих методов в бортовой аппаратуре необходимо иметь постоянное запоминающее устройство (ПЗУ), в котором сохранялись бы введенные в него поправки.
Кроме того поправки зависят от погодных условий и времени года, а это, в свою очередь, требует дополнительного пересчета и повторного ввода поправок в бортовую аппаратуру.
3. Квазидальномерный метод. Благодаря одновременной работе как по СРНС, так и по ИФРНС, появляется возможность коррекции дополнительной фазы, используя точные координаты, полученные по СРНС. В этом случае в отличие от приведенных выше методов не требуется никаких предварительных расчетов поправок и их ввода в приемную аппаратуру. Кроме того, точность определения координат по ИФРНС при использовании квазидально-мерного метода становиться на порядок выше, чем у описанных выше.
Квазидальномерноый метод коррекции ИФРНС
По известным координатам объекта определенным по СРНС, рассчитываются расстояния от объекта до каждой станции ИФРНС в цепочке, по которой ведется работа. Далее определяются поправки к псевдодальностям (ПД), полученным по ИФРНС, и затем по уточненным ПД производится расчет координат.
АрдИФРНС _ ррСРНС _ ррИФРНС (2)
где АРЯИФРНС - поправка к ПД для і-й станции ИФРНС;
РЯСРНС - ПД до і-й станции ИФРНС, рассчитанная на основе известных координат станции и координат подвижного объекта, полученных от СРНС;
рКифрнс -измеренные ПД до і-й станции ИФРНС.
Поправки рассчитываются по формуле (2) каждый раз заново с поступлением новых координат по СРНС. На рис. 1 показана блок-схема данного алгоритма коррекции.
Расчет поправок
Рис. 1. Блок-схема квазидальномерного способа коррекции ИФРНС
При использование вышеописанного метода во много раз уменьшаются погрешности, вызванные неполным знанием дополнительной фазы сигнала. Погрешность квазидиф-ференциального метода, как и дифференциального варианта системы при малых расстояниях от точки расчета поправки до объекта (20-100 км), как следует из материалов [1], находится в пределах от 7 до 40 нс, что соответствует точности измерения линии положения базы 2-12 м.
Проверка алгоритма коррекции
Алгоритм коррекции был реализован и проверен на приборе А-737И, разработанном в "ОАО "МКБ КОМПАС". Данный прибор содержит в своем составе устройство приема и обработки сигналов СРНС и ИФРНС. Испытания проводились в фиксированной точке с известными координатами, в трех разных режимах: с выключенной коррекцией по СРНС, с включенной
коррекцией по СРНС и с включенной коррекцией по СРНС без перерасчета поправок (в данном эксперименте для наглядности после получения первой поправки производилось отсоединение антенны СРНС). Работа велась с орбитальной группировкой, состоящей из 12 НС систем ОРБ/ГЛОНАСС. Для ИФРНС работа велась по цепочке, состоящей из 5 станций.
Ниже (рис. 2-4) приведены результаты испытаний. По оси У отложена ошибка определения плановых координат приемника в метрах. По оси X отложено время наблюдения в секундах.
Рис. 2. Результаты измерений без коррекции по СРНС т = 67 м а = 11 м;
Рис. 3. Результаты измерений с коррекции по СРНС т = 12.5 м а = 7 м
50 (-----1------(------1------[------1-------1
40
-10 1-------------------------------------------1-1-1-1-1
0 500 1000 1500 2000 2500 3000
Рис. 4. Результаты измерений с коррекции по СРНС с отключением данных от СРНС
т = 14.7 м а = 7.8 м
Выводы
Совместное использование ИФРНС и СРНС позволяет создать интегрированную радионавигационную систему, превосходящую по своим техническим характеристикам каждую из входящих в нее систем.
Как видно из результатов испытаний на реальной аппаратуре при совместном использовании измерений от СРНС и ИФРНС существует возможность коррекции систематической ошибки ИФРНС за счет измерений от СРНС. В дальнейшем, в случае пропадания сигнала от СРНС из-за затенений, плохой геометрии видимых НС, перерывов в слежении, многолучевости работа может вестись по скорректированной ИФРНС. Величина времени, в течение которого данная поправка будет действительна, зависит от скорости движения объекта и от изменения характеристик подстилающей поверхности.
ЛИТЕРАТУРА
1. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. - М., 1979. -280 с.
2. Loran-C Users Handbook. Department of Transportation, Washington 1994.
3. Быков В.И., Никитенко Ю.И. Импульсно-фазовая радионавигационная система «Лоран-С». - М.: Транспорт, 1967.
INCREASING THE ACCURACY OF DETERMINATION OF LORAN-C SYSTEM BY USING THE
SATELLITE RADIO NAVIGATION SYSTEM DATA
Pichugin S.M. Troshin P.V
This article includes experimental results of using quasi-long range algorithm of increasing the accuracy of determination accuracy of navigation parameters of Loran-C radio navigation system.
Сведения об авторах
Пичугин Сергей Михайлович, 1984 г.р. окончил МЭИ (ТУ) (2007), аспирант МГТУ ГА, автор 3 научных работ, область научных интересов - спутниковая навигация.
Трошин Павел Владимирович, 1983 г.р. окончил МЭИ (ТУ) (2007), аспирант МГТУ ГА, автор 2 научных работ, область научных интересов - спутниковая навигация.
