CC BY
3ПРИБОРОСТРОЕНИЕ, МЕТРОЛОГИЯ
И ИНФОРМАЦИОННО-ИЗМЕРИТЕЛЬНЫЕ ПРИБОРЫ И СИСТЕМЫ
УДК 621.3.092.4
ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ПОЗИЦИОНИРОВАНИЯ НА МЕСТНОСТИ НИЗКОДИНАМИЧНЫХ ПОДВИЖНЫХ ОБЪЕКТОВ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ ИНФОРМАЦИОННОЙ СИСТЕМЫ МОНИТОРИНГА ИОНОСФЕРЫ
Статья поступила в редакцию 25.05.2017, в окончательном варианте — 17.06.2017.
Катков Евгений Константинович, Северо-Кавказский федеральный университет, 355047, Российская Федерация, г. Ставрополь, ул. Пушкина, 1,
аспирант, ORCID http://orcid.org/0000-0002-6748-0032, e-mail: kep26rus@mail.ru, https://elibrary.ru/author_profile. asp?authorid=874344
Рассмотрены вопросы снижения погрешности позиционирования на местности подвижных объектов, использующих информацию со спутниковых радионавигационных систем (СРНС) при возникновении искусственных ионосферных образований (ИИО). Показано, что в этом случае для повышения точности позиционирования целесообразно использование стационарной информационной системы мониторинга ионосферы (ИСМИ). Принимая навигационные сигналы от всех видимых навигационных космических аппаратов, данная система проводит измерения, на основании которых может быть сделан вывод о наличии в видимой части небесной полусферы ИИО. Предлагается набор измерений, которые должны быть проведены ИСМИ для определения характеристик областей повышенной ионизации в ионосфере и их координат. На основании полученных результатов мониторинга ионосферы предлагается методика расчета погрешностей определения псевдодальностей до тех навигационных космических аппаратов, сигнал которых проходит через ИИО и подвергается искажениям вплоть до частотно-селективных замираний сигнала. Эти поправки предлагается выдавать потребителям СРНС, являющихся пользователями ИС мониторинга ионосферы. Учет этих поправок может существенно улучшить точность позиционирования объектов. Предлагаемая методика не требует серьезного усложнения навигационной аппаратуры потребителей, кроме обеспечения связи с ИСМИ.
Ключевые слова: спутниковые радионавигационные системы, размер ионосферных неоднородностей, искусственные возмущения ионосферы, погрешность определения псевдодальности, информационная система мониторинга ионосферы, погрешность позиционирования, полоса когерентности канала связи, степень частотно-селективных замираний
INCREASING POSITIONING ACCURACY IN THE AREA FOR LOW DYNAMIC MOBILE OBJECTS USING INFORMATIONION FROM THE IONOSPHERE MONITORING SYSTEM
The article has been received by editorial board 25.05.2017, in the final version — 17.06.2017.
Katkov Yevgeniy K., North-Caucasian Federal University, 1 Pushkin St., Stavropol, 355047, Russian Federation,
post-graduate student, ORCID http://orcid.org/0000-0002-6748-0032, e-mail: kep26rus@mail.ru, https ://elibrary. ru/author_profile.asp?authorid=874344
The problems of reducing the error in positioning mobile objects using information from satellite radio navigation systems (SRNS) in the event of artificial ionospheric formations (AIFs) are considered in the paper. It is shown, that in this case, to improve positioning accuracy, it is advisable to use a stationary information ionosphere monitoring system (IIMS). This system, receiving navigation signals from all visible navigation space vehicles, takes measurements, based on which a conclusion about presence of AIFs in the visible part of the celestial hemisphere, can be made. The set of measurements to be taken by stationary IIMS for determine the characteristics of high ionization areas of the ionosphere, as well as their coordinates, is proposed. Basing on the results of monitoring ionosphere, we propose a methodology of estimating errors in determining pseudorange to those navigation space vehicles, whose signals passes through the AIFs and undergoes distortions up to frequency selective fade of the signal. These corrections are proposed to be handed out to consumers of SRNS, who are users of the IIMS. Taking into consideration these corrections can significantly improve the accuracy of objects positioning. The proposed methodology does not require a serious complication of the consumers navigation equipment, except providing communication with the IIMS.
Keywords: satellite radionavigation system, the size of the ionospheric irregularities, disturbances of the ionosphere, error in determining pseudorange, information ionosphere monitoring system; positioning error, strip of the communication channel coherence, degree of frequency selective fade
Graphical annotation (Графическая аннотация)
исми
The system of monitoring of the ionosphere
В настоящее время во многих сферах человеческой деятельности широко используются среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС): российская ГЛОНАСС, американская GPS, китайская Бэйдоу, европейская Galileo. Полный состав орбитальной группировки ГЛОНАСС и GPS составляет 24 навигационных космических аппарата (НКА). С учетом необходимости резервирования этот состав поддерживается на уровне 30 НКА. Декларированная эксплуатантами таких систем точность позиционирования объектов на местности составляет менее 10 м. Для повышения точности используются различные меры, в т.ч. переход на водородные часы в НКА, увеличение числа НКА в рабочем созвездии до 7-8 вместо 4-х. Однако повышение точности позиционирования может быть достигнуто и в наземном сегменте СРНС. Особенно это актуально в случае возникновения высоких погрешностей определения псевдодальностей, связанных с возмущениями, вносимыми ионосферой на трассе распространения навигационного радиосигнала (НРС).
Известно [1, 8, 12, 14, 17-19], что при возникновении на трассе распространения НРС искусственных ионосферных образований (ИИО) погрешность определения псевдодальностей в СРНС существенно возрастает. В работах [5, 6, 11-14] показано, что в результате воздействия мощного коротковолнового излучения на ионосферу происходит её радионагрев, а это в свою очередь приводит к возникновению ИИО в локальной области. Такие области повышенной ионизации (ОПИ) характеризуются наличием в них неоднородностей электронной концентрации (ЭК), которые выстраиваются вдоль геомагнитных линий. Поперечный размер неоднородностей варьируется в широком диапазоне от 0,1 м до нескольких сотен километров. В результате возникновения ИИО возрастают дифракционные свойства ионосферы, что в свою очередь приводит к возникновению замираний сигналов. В случае передачи широкополосных сигналов СРНС замирания могут носить частотно-селективный характер. Это связано с сужением полосы когерентности (Д^.) трансионосферного канала связи.
Локальный характер ИИО приводит к возрастанию неравноточности измерений псевдодальностей. Известно [8], что многократное возрастание погрешности измерения псевдодальности даже в одной радиолинии приводит к погрешности местоопределения, не отвечающей требованиям точности в СРНС. В работе [3] было предложено создать информационную систему мониторинга ионосферы (ИСМИ), которая по сигналам всех видимых НКА смогла бы определить наличие ОПИ в видимой небесной полусфере, ее координат и параметров. Это позволит снизить возможные ошибки определения положений низкодинамичных наземных объектов, использующих данную ИСМИ.
Целью данной статьи является разработка методики определения погрешности измерения псевдодальности с помощью ИСМИ и снижение погрешности определения положений мобильных объектов, являющихся потребителями СРНС за счет учета поправок к измерениям, которые рассчитываются данной системой.
Постановка задачи. Пусть в ионосфере возникает локальная ОПИ, проходя через которую НРС подвергается искажениям вплоть до возникновения частотно-селективных замираний (ЧСЗ). Требуется оценить наличие в ионосфере ОПИ; определить погрешности определения псевдодальности в тех радиолиниях, которые будут использоваться потребителем в сеансе позиционирования. Необходимо выдать потребителю поправки к измерениям псевдодальностей и, таким образом, повысить точность решения навигационной задачи. При этом предполагается, что такая задача решается потребителем информации в автоматизированном режиме, на основе использования соответствующих аппаратно-программных средств.
Ошибка измерения псевдодальности. Известно [15, 16], что ошибка позиционирования зависит в основном от ошибки определения псевдодальности до каждого из НКА рабочего созвездия, а также геометрического фактора GDOP. Он характеризует рабочее созвездие НКА, используемое потребителем в конкретном сеансе позиционирования. Оптимальным называется созвездие, при котором один НКА находится в зените потребителя, а три остальных равномерно, через 120°, распределены в пригоризонт-ной области. В этом случае GDOP является минимальным и составляет 1,8.
В случае если хотя бы один НРС попадает в ИИО и подвергается ЧСЗ, то погрешность позиционирования многократно возрастает [8]. С увеличением числа таких НРС погрешность позиционирования потребителя (Ад = [АХ,А7,А2,г]) еще больше увеличивается и выходит за пределы допустимых для навигационной системы значений. В свою очередь ошибка определения псевдодальности до НКА (ов) прямо пропорциональна ошибке слежения за временем прихода радиосигнала (ст^определяется выражением
°В = С-0г , (1)
где с - скорость распространения радиоволн.
В работе [3] показано, что в условиях сильных ионосферных сцинтилляций ошибка слежения за временем прихода сигнала будет представлять из себя сумму ошибки временных флуктуаций сигнала (о—) и ошибки определения времени прихода максимума сигнала (о ):
о = о + , (2)
При этом величина ошибки временных флуктуаций сигнала (о—) будет в основном зависеть от среднего квадратичного отклонения (СКО) флуктуации фазы сигнала (о^), возникающего при прохождении НРС через ИИО (о— = f (о^)). Ошибка определения времени сигнала (оН) будет определяться шириной полосы когерентности (АFl) трансионосферного канала связи (о1Н = f (АFk)) [3, 9, 16].
Согласно [14, 18] из-за фазовых флуктуаций (о^) будет возникать временная флуктуация сигнала ф 0), определяемая выражением
о- = от' (3)
где /0 - несущая частота навигационного радиосигнала.
Величина СКО флуктуации фазового фронта волны на выходе из ионосферы (о^) согласно [3, 4] определяется выражением
80,8ж
=-у~°АЫТ , (4)
СЛ
где 80.8 - коэффициент с размерностью [м3/с2]; ст№ - СКО интегральной ЭК в ионосфере в наклонной радиолинии [эл/м2].
Величина ст^ , согласно [1, 3] определяется выражением:
Г—-— Г (р/2 -1/2) (5)
= -с(р/2-1)' (5)
где оАЫ - СКО флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы [эл/м3]; Ь0 - максимальный размер ионосферных неоднородностей; кЭ - эквивалентная толщина ионосферы (500 км); @ - зенитный угол НКА; р - фазовый спектральный индекс.
Использование выражения (5) для определения величины оШт достаточно затруднительно, так
как заранее неизвестны значения фазового спектрального индекса р, величины Ь0, а значения кЭ берется приблизительно. В то же время существуют технические средства, позволяющие провести ряд изме-
рений, устраняющих эту неопределенность. Так, аппаратура "NovAtel GPS-6", установленная в СевероКавказском федеральном университете, позволяет измерить значение СКО интегральной ЭК в наклонной радиолинии (Сд^) непосредственно на трассе распространения сигнала. Также известно устройство обнаружения ИИО с мелкомасштабными неоднородностями [10], позволяющее определять величину а . Эти измерения позволяют, используя выражение (4) и (3), получить значение временной флуктуации сигнала (агВ).
Для оценки ошибки определения времени прихода максимума сигнала (сттЯ ) при возникающих ЧСЗ принимаемого НРС воспользуемся выражением, полученным в [8, 9]
1 'Г1+±Д£ Т+{1+±д£ Г, (6)
•Jlxh1 AF0
где AF0 - ширина спектра НРС; h2 - отношение энергии принимаемого НРС к спектральной плотности мощности шума; AFk - полоса когерентности трансионосферного канала связи определяемая как
AFh =-, 2/0 , (7)
k о^ 2(1 + d,V2) (3z2 - 3zh4 + hi) c2 sec2 ©
где d,2 = i-1-3-l-, (8)
где z - расстояние от верхней границы ионосферы до точки приема при вертикальном распространении радиоволн (600 км); lS - характерный размер ионосферных неоднородностей.
Входящая в (6) величина AFk подлежит определению. Известно устройство определения степени ЧСЗ навигационных радиосигналов СРНС [13]. Оно позволяет определять значение полосы когерентности (AFk) при возникновении ИИО. Принцип действия этого устройства состоит в делении широкополосного НРС на спектральные составляющие и проверке условия их коррелированности между собой. Корреляционная функция НРС имеет вид [8, 13]
K (AF0 ) = e-^)2. (9)
При выполнении условия возникновения ЧСЗ AF0 / AFk = 1 коэффициент корреляции становится равным K (AF0 ) = e"1« 0,37. Если значение K (AF0 )> 0,37 на всем интервале AF0, то условие возникновения ЧСЗ для такого НРС не выполняется. Разнос частот, при котором достигается значение K(AF0 ) = 0,37, определяет ширину полосы когерентности канала связи AFk.
В выражении (8) имеется неопределенность, связанная с неизвестной величиной характерного размера ионосферных неоднородностей (lS). Устранить эту неопределенность также помогут измерения
величин оШт и AFk. Выразим из уравнения (7) с учетом (4) величину d2
4с2 f4
< =-54Ч°Т"5--2 (10)
1 80,82 Д^УстД^ ' ^ ^
Приравняв правые части выражений (8) и (10), и выразив из полученного выражения 1В, получим
выражение для характерного размера ионосферных неоднородностей:
f 80,82(3z2 -3zh- + h-)c2sec2©• AFk02, ^
I =
- / k ANt
768с/ -384 • 80,82^2^/02Д^12с;21 (11)
Таким образом, выражение (11) позволяет, имея измерения <гш и ДЕк, получить значение характерного размера ионосферных неоднородностей (1Х) при возникновении ИИО.
С учетом (2-4) и (6) выражение (1) для определения погрешности измерения псевдодальности ( аИИО) при возникновении ИИО и прохождении НРС через ОПИ примет вид
..ИИО
D
(
^ИИО
о = с
D
40,4 1 If 4AF02 f ,2 f. 4AF„zV/2
40TN1,1+h|1+
(12)
Таким образом, имея информацию о возникновении ионосферных возмущений и проведя измерения величин а и ДРк, можно определить погрешность измерения псевдодальностей при появлении ИИО (ашо).
4 п '
Обоснование целесообразности применения информационной системы мониторинга ионосферы. Массовая навигационная аппаратура потребителей (НАП) СРНС не обладает возможностями измерений величин а и ДРк непосредственно во время сеанса позиционирования. Поэтому использование выражения (12) потребителем в случае возникновения ИИО практически невозможно, так как потребители не обладают всей необходимой информацией о наличии в ионосфере ОПИ, ее параметрах и
координатах. Решить эту проблему может создание локальных ИСМИ, которые будут постоянно проводить измерения параметров НРС всех видимых НКА. С базовой станцией (БС) данной ИСМИ должна быть связана НАП пользователей этой системы. Возможно, что подобная ИСМИ может быть интегрирована в уже существующую систему «ЭРА-ГЛОНАСС», использующую сеть операторов сотовой связи. При этом, очевидно, что при прохождении через сервера операторов сотовой связи будут возникать задержки времени, влияющие на точность позиционирования. Поэтому использование предлагаемой ИС-МИ будет рационально только для низкодинамичных наземных объектов (с невысокими скоростями движения). Рациональность использования ИСМИ сохраняется для объектов, скорость которых не превышает 90 км/ч.
Для того чтобы минимизировать погрешность местоопределения в случае возникновения ИИО, ИСМИ должна выполнить ряд перечисляемых ниже действий.
1. Используя измерения параметров НРС, для всех находящихся в зоне радиовидимости НКА, сделать вывод о наличии или отсутствии ОПИ в видимой небесной полусфере и определить значение
и А^ на трассах распространения сигналов от НКА к базовой станции ИС.
2. Определить координаты ОПИ в местной топоцентрической системе координат (ТСК) и геоцентрической системе координат (ГСК).
3. Получить от потребителей, связанных с ИС, состав НКА рабочего созвездия и выяснить проходят ли выбранные НРС через ОПИ.
4. Если какой-либо из НРС попадает в ОПИ, то для этой радиолинии определить погрешность определения псевдодальности и выдать это значение потребителю для корректировки расчетов во
время сеанса позиционирования.
Далее эти операции описываются более подробно.
Определение наличия и координат ОПИ. Пусть по орбите движется НКА (рис. 1).
НКА/О
Рис. 1. Определение координат ОПИ
ИСМИ принимает НРС от этого НКА. Если в момент времени ^ измеренное значение аАЫ превышает установленное пороговое значение [10], то можно сделать вывод, что НРС попадает в область повышенной ионизации. Данный навигационный аппарат назовем «НКА-индикатор ОПИ». При этом ИС, согласно методике представленной в [2], определяет ширину полосы когерентности трансионосферного канала связи (АРк) и наличие или отсутствие ЧСЗ радиосигнала. При снижении величины менее порогового значения (в момент времени /2) можно сделать вывод, что НРС вышел из ОПИ. Размеры этой области ограничены точками Q1 и Q2, т.е. точками пересечения трассы НРС и ОПИ. Теперь следует определить координаты этих точек в топоцентрической системе координат (Ы U E), где ось N направлена на север в плоскости местного горизонта, ось и - в зенит, ось Е - на восток. Начало координат то-поцентрической системы считаем размещенным в точке нахождения БС, положение которой точно известно.
Координаты точек Q1 и Q2 в ТСК определяются выражениями [8]:
nq] = donH1 • cos Yj •cos «j
JQ, = dOnH, • Sin Yj , j = 1, 2. (13)
jj
^EQj = dOnMj • C0S Yj • SÍn «j
где «j, Yj - азимут и угол места точки Qj, равные азимуту и углу места НКА, сигнал которого попадает в ОПИ; donMj - наклонная дальность точки Qj, определяемая [8], как
douH1 =VR • sin2 Yj + h3 •(2R3 + h3) - R3 • sin y¡ , (j = 1, 2), (14)
где R3 - радиус Земли в точке нахождения потребителя.
Имея координаты точек Qj в топоцентрической системе координат нетрудно перевести их в геоцентрические координаты ( xqj , yQ], zq] ) [16].
Таким образом, принимая НРС всех видимых НКА, ИСМИ может составить «карту» наличия в видимой небесной полусфере областей повышенной ионизации. Далее необходимо определить, попадают ли в эти области радиосигналы аппаратов, выбранных потребителями СРНС в качестве НКА рабочего созвездия. Если выбранные потребителями радиолинии пересекают ОПИ, то ИСМИ должна спрогнозировать возможную ошибку определения псевдодальности и выдать корректирующую поправку соответствующему потребителю.
Расчет ошибки определения певдодальности. Для прогнозирования ошибки определения псевдодальностей до НКА рабочего созвездия необходимо определить, попадает ли в ОПИ НРС аппарата, выбранного потребителем информации в рабочее созвездие. То есть проходит ли НРС от НКА № 2 через эту область или нет (рис. 1).
Выбор рабочего созвездия НКА осуществляется по данным альманаха СРНС. Другими словами, потребитель перед началом сеанса местоопределения знает приблизительные углы места и азимута тех НКА, сигналы которых он возьмет в обработку. В то же время, имея координаты точек ОПИ в геоцентрической системе координат [ xq] , yQ], zq] ], можно найти координаты этих точек (Qj) в местной ТСК (
NQ'iUQ'iEQ ) с центром в точке начального приближения потребителя [ X 0,Y0, Z 0 ]. Матрицы пересчета из геоцентрической системы координат в ТСК и обратно приведены в [3, 7, 15].
Азимут (aQ) и угол места ( yq ) определяются согласно [6]:
ЕП
' Q sign(cos «q ) = sign(NQn)
Yq:
^ n
(15)
' >/( К )2 +(ЕП )2 +К )2
Теперь, зная угловые координаты точек Qj в местной ТСК (а1,У1) и (а2,у2), а также угловые координаты выбранного НКА (аНКА, уНКА), можно определить, проходит ли сигнал от этого НКА через ОПИ.
Сначала необходимо выяснить совпадает ли азимут НКА, сигнал которого берется в обработку (аНКА), с азимутом обнаруженной ОПИ. Возможны несколько случаев совпадения этих азимутов. Если выполняется одна из систем неравенств
НКА > «Qj НКА — «Q2
«Q2 > «Q¡ + Ж
НКА — «Q1 НКА ^ «Q2
«Q2 > «Q¡ + Ж
«Q1 — «НКА — «Q2
«Q2 > «Q1 ;
«Q 2 — «Q1 + Ж
—«
НКА — Q1 —«
НКА — Q 2
(16)
«Q1 > «Q2
то, очевидно, что НКА, сигнал которого будет взят в обработку потребителем, находится в той же части видимой небесной полусферы, что и ОПИ. В этом случае необходимо проверить совпадение угла места НКА (УнКА ) и угла места ОПИ. Для этого надо проверить выполнение одной из следующих систем неравенств
- У НКА - УQÍ I УQ2 - У НКА - УQl
или ^ . (17)
[Уй - yQ2 LУQ2 - УQl
Если системы неравенств (16-17) не выполняются, то можно сделать вывод, что НРС не проходит через ОПИ, обнаруженную ИСМИ. В этом случае потребитель при определении своих координат может работать в штатном режиме, т.е. без внесения поправок.
В противном случае сигнал проходит через ОПИ и возникает необходимость прогноза погрешности местоопределения при использовании этого НРС в дальнейшей обработке. Информационная си-
стема мониторинга ионосферы должна определить возможную погрешность определения псевдодальности и выдать рекомендации потребителю либо на продолжение работы в штатном режиме, либо на устранение погрешности измерений. Для этого необходимо измеренное ИС значение аАЫт для «НКА -индикатора ОПИ» пересчитать для радиолинии «НКА - потребитель» (для НКА из рабочего созвездия). Для пересчета аАЫт, измеренного для «НКА - индикатора», в ас для рабочего НКА (рис. 1, НКА № 2) необходимо учесть угол места (уНКА) этого НКА. Величина стАЫ определяется выражением
® СЫт ~ а АЫт
^СОв ©/5ШУнкА . (18)
С учетом (4), (18) выражение для полосы когерентности трансионосферного канала «НКА - потребитель» (7) примет вид :
щс =
80,8^7соз©(2 + й2):
где
2 =
унка
(19)
(20)
Теперь с учетом (18) выражение (12) для погрешности определения псевдодальности (а Вшл) в радиолинии «НКА - потребитель» при попадании этого НРС в область повышенной ионизации примет вид
Г 40,4 ,--р-
-/Г СТАЫт^ СОв 0/в1П У НКА + с/0
1
ПпН1 АК
1+ -iАFL.
)2
у Г + н2 1+-
У/2
4АК2
(21)
'К )2
/ ^
При этом следует помнить, что используемый в (19) и (21) зенитный угол @ - это угол «НКА -индикатора». Используемая в (2) величина I^ определяется согласно (11). Выражение (21) позволяет рассчитать погрешность определения псевдодальности в случае, если НРС аппарата из рабочего созвездия потребителя проходит через ОПИ в ионосфере. Параметры ОПИ определены по измерениям сигнала «НКА - индикатора ОПИ», проведенным базовой станцией ИСМИ.
Примерная функциональная схема разрабатываемой ИСМИ приведена на рисунке 2. В своем составе она должна будет иметь, как измерительные блоки, так и мощные вычислительные средства, позволяющие оперативно отслеживать и рассчитывать параметры не менее чем в 30 радиолиниях. Для оценки необходимых параметров ИСМИ было сочтено целесообразным выполнить имитационное моделирование.
а
с
+
Блок определения СКО флуктуации ЭК
аЫ
Блок определения полосы когерентности
Т
Г
к
Блок выделения радиолиний, проходящих _через ОПИ_
ал
Т~а
Пересчет координат ОПИ в ТСК потребителя
7
^, УQj, ^
Блок определения координат ОПИ в ТСК БС
% щ, щ
Выделение НКА, сигнал которых проходит через ОПИ
ЫП,иП,ЕП
Пересчет координат ОПИ в ГСК
У НКА
V.
Блок определения
СКО измерения псевдодальностей
Блок расчета поправок к измерениям
Базовая станция ИСМИ
£ -8-Ш I
Рис. 2. Схема информационной системы мониторинга ионосферы
и
(7
Результаты моделирования. С использованием соотношений, полученных в данном исследовании, было проведено компьютерное моделирование работы ИСМИ. Эфемериды НКА были взяты из Шпех-файлов, размещенных в сети Интернет, в которых хранятся промежуточные измерения, проводимые навигационным приемником. Параметры НРС и невозмущенной ионосферы были приняты следующими: частота НРС /0 = 1,2 ГГц; ширина спектра сигнала ДР0 = 10 МГц; отношение энергии принимаемого НРС к спектральной плотности мощности шума Иг = 46 дБГц; высота верхней границы ионосферы 7 = 600 км; эквивалентная толщина ионосферы кэ = 500 км. Было принято, что погрешность измерения псевдодальности при спокойной и естественновозмущенной ионосфере ап - 20 м.
При моделировании ионосферных возмущений было принято допущение: СКО интегральной ЭК в ионосфере в наклонной радиолинии а = 1017 эл/м2, что соответствует сильновозмущенной ионосфере с величиной СКО флуктуаций ЭК в неоднородностях ионосферы адн «1013 эл/м3. Моделирование проводилось для 14-ти различных рабочих созвездий, когда в ОПИ попадал сигнал одного из НКА. При этом расчеты проводились для двух случаев: когда степень ЧСЗ радиосигнала №0/Щ = 2 и Щ/Щ = 5.
Порядок действий при моделировании был следующий.
1. Базовая станция ИСМИ с координатами X = 3738371,881 м; Y=1148161,0587 м; Ъ = 5021811,959 м проводит измерения по всем видимым НКА.
2. Потребитель, находящийся от БС на расстоянии 245 км, передает ей состав выбранного рабочего созвездия.
3. В ТСК с центром в БС ИСМИ задаются координаты ОПИ с вышеприведенными параметрами; определяется «НКА - индикатор ОПИ». ИСМИ рассчитывает величину характерного размера ионосферных неоднородностей (4). Также пересчитываются координаты ОПИ в ТСК потребителя.
4. ИСМИ определяет, попадает ли сигнал какого-либо из НКА рабочего созвездия потребителя в ОПИ. Если попадает, то для этой радиолинии рассчитывается величина полосы когерентности ДЕС. Затем определяется согласно (21) погрешность определения псевдодальности (аИИ°А) в радиолинии «НКА -потребитель». Эта величина в качестве поправки выдается потребителю.
5. Потребитель информации, с учетом поправки , решает навигационную задачу и определяет свои координаты.
Результаты расчета величины характерного размера ионосферных неоднородностей 4, согласно (11), при различных значениях ЧСЗ сигнала (Д^0/Д^к) и зенитном угле «НКА-индикатора ОПИ» (0) представлены в таблице 1.
Таблица 1. Рассчитанный размер ионосферных неоднородностей ^
0, градус 27,8 53,4 56,9 62,7 65 71,2 75,5 76 79,5 83
Характерный размер ионосферных неоднородностей lS, м
AF0 2 89,8 109,4 114,24 124,7 130,1 148,5 168,9 171,1 197,3 242,1
AFk 5 56,2 68,5 71,6 78,2 81,5 93,1 105,8 107,2 123,7 151,7
Размер ионосферных неоднородностей (4) обратно пропорционален сужению полосы когерентности трансионосферного канала (Д^0/ДРк). То есть при сильных ионосферных возмущениях в толще ионосферы будет наблюдаться множество ионосферных неоднородностей небольшого масштаба. Это согласуется с положениями, определенными в [8].
В данном исследовании утверждается, что полученное выражение (11) позволяет оценить характерный размер ионосферных неоднородностей (13) по данным измерений значения полосы когерентности трансионосферного канала связи (Д^к) и СКО интегральной ЭК в ионосфере в наклонной радиолинии (агм ).
Ниже, на рисунке 3 приведены результаты решения навигационной задачи потребителем без учета ошибки измерения псевдодальности при ИИО (аИИ°) и с учетом этой поправки, рассчитанной ИСМИ. В качестве НКА, сигнал которого попадает в ОПИ выбирался, как правило пригоризонтный аппарат, так как подобная ситуация является наихудшей (с точки зрения величины ошибки) и чаще встречающейся. Анализ результатов на рисунке 3 показывает, что в обоих случаях (Д^0/ ДРк = 2 и Щ = 5) возникновение ЧСЗ даже в одной радиолинии приведет к ошибкам местопределения порядка 102...103 м. Таким образом расчет величины аИИИС° и использование ее в решении навигационной задачи позволит снизить погрешность местоопределения до 15-50 м., т.е. в 10-20 раз.
Aq, м
10
10
.. / \/-0/ / = 5 ч ______ ---______
\ / ✓ /....................
V
> ч >• ^ -— г" " /
* \/ \/'0/ A// = 2 ч. / /
чс учетом
10
12 14
Количество сеансов
Рис. 3. Ошибка местоопределения потребителя Дq при ИИО без учета ошибки с
и с учетом рассчитанного значения & D
0
2
4
6
8
Следует отметить, что при возникновении ЧСЗ основной вклад в погрешность местоопределения
„ _ ИИО _
вносит погрешность измерений псевдодальностей & Внт, которая будет зависеть от того, сигнал какого НКА попадает в ОПИ.
Заключение. Представленная методика определения псевдодальности до НКА при возникновении ИИО позволит снизить погрешность местоопределения потребителей СРНС. Для этого необходимо создание ИСМИ и подключение к этой системе потребителей, возможно, с интегрированием ИСМИ в уже существующую сеть «ЭРА-ГЛОНАСС». Создание такой ИСМИ не требует оснащения каждого потребителя сложной измерительной аппаратурой. Очевидно, что в случае возникновения небольших ИИО есть смысл перейти на альтернативное рабочее созвездие, где радиолинии не будут подвергаться ЧСЗ. Впрочем, такая возможность в случае дефицита НКА или наличия множественных ИИО может не представиться. Поэтому для низкодинамичных наземных потребителей снижение погрешности позиционирования с тысяч метров до десятков метров будет несомненным выигрышем. Приведенные результаты показывают, что использование рассчитанного ИСМИ СКО определения псевдодальности до НКА рабочего созвездия потребителя на основе измерений радиосигнала «НКА - индикатора ОПИ» позволит снизить ошибку местоопределения до приемлемого уровня. Целью дальнейших исследований в данном направлении будет являться детальная проработка необходимых характеристик и проектирование подобной ИСМИ.
Список литературы
1. Афраймович Э. Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли / Э. Л. Афраймович, Н. П. Перевалова. -Иркутск : ГУ НЦ ВСНЦ СО РАМН, 2006. - 480 с.
2. Катков К. А. Алгоритм определения наличия областей повышенной ионизации в ионосфере / К. А. Катков, Н. Н. Гахова // Наукоемкие технологии. - 2012. - Т. 13, № 7. - С. 8-15.
3. Катков К. А. Информационная система мониторинга ионосферы / К. А. Катков, В. П. Пашинцев, Е. К. Катков // Известия Самарского научного центра РАН. - 2016. - Т. 18, № 2 (3). - С. 907-912.
4. Катков К. А. Влияние параметров возмущенной ионосферы на ошибку слежения за фазой навигационного радиосигнала / К. А. Катков, В. П. Пашинцев, Е. К. Катков // Современная наука и инновации. - 2016. - № 2 (14). -С. 52-64.
5. Леммле Д. В. Характеристики передачи сигналов OFDM в многолучевых каналах / Д. В. Леммле // Прикаспийский журнал: управление и высокие технологии. - 2015. - № 2 (30). - С. 207-216 (http://hi-tech.asu.edu.ru/files/ 2(30)/207-216.pdf).
6. Лобанов Б. С. Исследование возможности создания в ионосфере объемных образований, эффективно взаимодействующих с электромагнитным излучением в сверхшироком диапазоне частот / Б. С. Лобанов // Теория и техника радиосвязи. - 2009. - № 3. - С. 16-24.
7. Мамон П. А. Баллистическое обеспечение космических полетов : учебное пособие / П. А. Мамон, В. И. Половников, С. К. Слезкинский. - Ленинград : ВИКИ им. А.Ф. Можайского, 1980. - 622 с.
8. Пашинцев В. П. Спутниковая навигация при ионосферных возмущениях / В. П. Пашинцев, К. А. Катков, Р. П. Гахов, О. П. Малофей, В. А. Шевченко. - Ставрополь : СевКавГТУ, 2012. - 259 с.
9. Пашинцев В. П. Оценка погрешности измерения псевдодальности в спутниковых радионавигационных системах при возмущениях ионосферы в слое F / В. П. Пашинцев, М. Э. Солчатов, А. М. Спирин, К. А. Катков // Физика волновых процессов и радиотехнические системы. - 2007 - Т.10, № 6. - С. 8-13.
10. Пашинцев В. П. Устройство обнаружения искусственных ионосферных образований с мелкомасштабными неоднородностями / В. П. Пашинцев, С. А. Коваль, В. И. Стрекозов и другие // Патент на полезную модель RU 154138 U1 от 20.08.2015.
11. Сергеев Е. Н. Результаты комплексных исследований возмущенной области ионосферы с помощью коротковолновой локации в широкой полосе частот и искусственного радиоизлучения ионосферы / Е. Н. Сергеев, Е. Ю. Зыков, А. Д. Акчурин, И. А. Насыров, Г. Г. Вертоградов, В. Г. Вертоградов, В. Ю. Ким, В. П. Полиматиди, С. М. Грач // Известия высших учебных заведений. Радиофизика. - 2012. - Т. 55, № 1-2. - С. 79-93.
12. Слюсарев Г. В. Устройство определения степени частотно-селективных замираний навигационных радиосигналов спутниковых радионавигационных систем / Г. В. Слюсарев, Р. В. Анашкин, К. А. Катков и другие // Патент на полезную модель RUS 93525 от 02.12.2009.
13. Тепляков И. М. Ионосферные искажения цифровых сигналов с широкополосной модуляцией / И. М. Тепляков // Радиотехника. - 1984. - № 8. - С. 8-13.
14. Харисов В. Н. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / В. Н. Харисов, А. И. Перова, В. А. Болдина. - Москва : ИПРЖР, 1998. - 680 с.
15. Шебшаевич В. С. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / В. С. Шебшаевич, П. П. Дмитриев, Н. В. Иванцевич и другие. - Москва : Радио и связь, 1993. - 408 с.
16. Yannick Beniguel. Scintillations effects on satellite to Earth links for telecommunication and navigation purposes / Yannick Beniguel, Biagio Forte, Sandro M. Radicella, Hal J. Strangeways, Vadim E. Gherm and Nikolay N. Zernov // Annals of geophysics. - 2004. - Vol. 47, № 2/3. - P. 1179-1199.
17. Robert S. Conker. Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS/Satellite-Based Augmentation System availability / Robert S. Conker, M. Bakry El-Arini, Christopher J. Hegarty and Thomas Hsiao // Radio Science. - 2003. -Vol. 38, № 1. - P. 1-23. D0I10.1029/2000rs002604.
18. Smirnov V. Hardware and software complex monitoring the Earth ionosphere / V. Smirnov, E. Smirnova, V. Skobelkin, S. Tynyankin //Proceedings of the 40th SCIENTIFIC ASSEMBLY COSPAR. -Russia, Moscow, August 2-10 2014. - P.1-14.
References
1. Afraymovich E. L., Perevalova N. P. GPS-monitoring verkhney atmosfery i Zemli [GPS monitoring of the upper atmosphere of the Earth], Irkutsk, GU NC VSNTs SO RAMN [GU NC VSNTs SO RAMN Publ. House, 2006. 480 p.
2. Katkov K. A., Gahova N. N. Algoritm opredeleniya nalichiya oblastey povyshennoy ionizatsii v ionosphere [The algorithm of determining the presence of regions of increased ionization in the ionosphere]. Naukoemkie tekhnologii [High Technologies], 2012, vol. 13, no. 7, pp. 8-15.
3. Katkov K. A., Pashintcev V. P., Katkov Ye. K. Informatsionnaya sistema monitiringa ionosfery [Information system of monitoring of the ionosphere]. Izvestiya Samarskogo nauchnogo tsentra RAN [Proceedings of the Samara Scientific Center, RAS], 2016, vol 18, no. 2 (3), pp. 907-912.
4. Katkov K. A., Pashintsev V .P., Katkov Ye. K. Vliyanie parametrov vozmushchennoy ionosfery na oshibku slezeniya za fazoy navigatsionnogo radiosignala [Influence of parameters of the disturbed ionosphere to the error tracking phase, navigation radio signal]. Sovremennaya nauka i innovatsii [Modern Science and Innovation], 2016, no. 2 (14), pp. 52-64.
5. Lemmle D. V. Kharakteristiki peredachi signalov OFDM v mnogoluchevykh kanalakh [The transmission characteristics of OFDM signals in multipath channels]. Prikaspiyskiy zhurnal: upravlenie i vysokie tekhnologii [Caspian Journal: Management and High Technologies], 2015, no. 2 (30), pp. 207-216 (http://hi-tech.asu.edu.ru/files/2(30)/207-216.pdf).
6. Lobanov B. S. Issledovanie vozmozhnosti sozdaniya v ionosphere obemnykh obrazovaniy, effektivno vzaimo-deystvuyushchikh s elektromagnitnym izlucheniem v sverkhshirokom diapazone chastot [Study the possibility of creating in the ionosphere lesions, effectively interacting with electromagnetic radiation in superwide frequency range]. Teoriya i tekhni-ka radiosvyazi [Theory and Technique of Radio Communication], 2009, no. 3, pp. 16-24.
7. Mamon P. A., Polovnikov V. I., Slezkinskiy S. K. Ballistocheskoe obespechenie kosmicheskikhpoletov [Ballistic support of space flights], Leningrad, Military engineering Institute named Mozhaysky publ. House, 1980. 622 p.
8. Pashintsev V. P., Katkov K. A., Gakhov R. P., Malofey O. P., Shevchenko V. A. Sputnikovaya navigatsiyapri ion-osfernykh vozmushcheniyakh [Satellite navigation with ionospheric disturbances], Stavropol, NCSTU Publ. House, 2012. 259 p.
9. Pashintsev V. P., Solchatov M. E., Spirin A. M., Katkov K. A. Otsenka pogreshnosti izmereniya psevdodalnosti v sputnikovykh radionavigatsionnykh systemakh pri vozmushcheniyakh ionosfery v sloe F [Assessment of measurement error in the pseudo range of satellite navigation systems when the disturbances of the ionosphere in the F layer]. Fizika volnovykh protsessov i radiotekhnicheskie sistemy [Physics of Wave Processes and Radiotechnical Systems], 2007, vol 10, no. 6, pp. 8-13.
10. Pashintsev V. P., Koval S. A., Strekozov V. I., et al. Ustroystvo obnaruzeniya iskusstvennykh ionosfernykh obrazovaniy c melkomasshtabnymi neodnorodnostyami [Device detection of artificial ionospheric structures with small-scale inhomogeneities]. The patentfor useful model RU 154138 U1 from 20.08.2015.
11. Sergeev Ye. N., Zykov Ye. Yu., Akchurin A. D., Nasyrov I. A., Vertogradov G. G., Vertogradov V. G., Kim V. Yu., Polimatidi V. P., Grach S. M. Rezultaty kompleksnykh issledovaniy vozmushchennoy oblasti ionosfery s pomoshchyu korot-kovolnovoy lokatsii v shirokoy polose chastot i iskusstvennogo radioizlucheniya ionosfery [The results of complex studies of the disturbed region of the ionosphere with shortwave locations in a wide band of frequencies and artificial radio emission of the ionosphere]. Izvestiya vysshikh uchebnykh zavedeniy. Radiofizika [Proceedings of the Higher Educational Institutions. Radiophysics], 2012, vol. 55, no. 1-2, pp. 79-93.
12. Slusarev G. V., Anashkin R. V., Katkov K. A., et al. Ustroystvo opredeleniya stepeni chastotno-selektivnykh zamiraniy navigatsionnykh radiosignalov sputnikovykh radionavigatsionnykh sistem [The device determine the degree of frequency-selective fading radio signals of the navigation satellite navigation systems]. The patent for useful model RUS 93525from 02.12.2009.
13. Teplyakov I. M. Ionosfernie iskazeniya tsifrovykh signalov s shirokopolosnoy modulyatsiey [Ionospheric distortion of the digital signal with a wideband modulation]. Radiotehnika [Radio Engineering], Moscow, 1984, no. 8, pp. 8-13.
14. Kharisov V. N., Perova A. I., Boldina V. A. Globalnaya sputnikovaya radionavigatsionnaya sistema GLONASS [Global satellite radio navigation GLONASS system], Moscow, IPRZHR Publ. House, 1998. 680 p.
15. Shebshaevich V. S., Dmitriev P. P., Ivantsevich N. V. Setevye sputnikovye radionavigatsionnye sistemy [Network satellite radio navigation system]. Radio i svyaz [Radio and Communication], Moscow, 1993. 408 p.
16. Yannick Beniguel, Biagio Forte, Sandro M. Radicella, Hal J. Strangeways, Vadim E. Gherm and Nikolay N. Zernov Scintillations effects on satellite to Earth links for telecommunication and navigation purposes. Annals of geophysics, 2004, vol. 47, no. 2/3, pp. 1179-1199.
17. Robert S. Conker, M. Bakry El-Arini, Christopher J. Hegarty and Thomas Hsiao Modeling the effects of ionospheric scintillation on GPS/Satellite-Based Augmentation System availability. Radio Science, 2003, vol. 38, no. 1, pp. 1-23. Doi :10.1029/2000rs002604.
18. Smirnov V., Smirnova E., Skobelkin V., Tynyankin S. Hardware and software complex monitoring the Earth ionosphere. Proceedings of the 40th SCIENTIFIC ASSEMBLY COSPAR, Russia, Moscow, August 2-10 2014, pp. 1-14.
УДК:621.311.13, 004.3
РАЗРАБОТКА МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНОГО АНАЛИЗАТОРА ПОКАЗАТЕЛЕЙ КАЧЕСТВА ЭЛЕКТРОЭНЕРГИИ ДЛЯ КОНТРОЛЯ АВТОНОМНЫХ СИСТЕМ ЭЛЕКТРОСНАБЖЕНИЯ
Статья поступила в редакцию 25.04.2017, в окончательном варианте — 23.06.2017.
Асиев Абай Турусбекович, Кыргызский государственный технический университет им. И. Разза-кова, 720044, Кыргызская Республика, г. Бишкек, пр. Чынгыза Айтматова, 66,
кандидат технических наук, заведующий отделом науки, ORCID http://orcid.org/0000-0002-2013-6314, e-mail: asievat@gmail.com
Работа посвящена вопросам создания и применения многофункционального анализатора (МФА) показателей качества электрической энергии (ПКЭ) для контроля автономных систем электроснабжения. Рассмотрены необходимые требования к ПКЭ и мероприятия, направленные на соблюдение требований, указанных в ГОСТ 321442013. Определено оборудование в автономной системе электроснабжения (АСЭ), создающее электромагнитные помехи и оказывающее негативное влияние на ПКЭ. Для АСЭ и электроагрегатов, вырабатывающих переменное напряжение, совокупность ПКЭ включает следующее: установившееся отклонение напряжения при изменении симметричной нагрузки (СН); установившееся отклонение напряжения при неизмененной СН; переходное отклонение напряжения при сбросе - набросе СН; время восстановления напряжения при сбросе - набросе СН; установившееся отклонение частоты при неизмененной СН; переходное отклонение частоты при сбросе - набросе СН; время восстановления частоты при сбросе - набросе СН; коэффициент амплитудной модуляции напряжения частотой 400 Гц при СН, коэффициент искажения синусоидальности кривой напряжения; коэффициент небаланса междуфазных напряжений при несимметричной нагрузке фаз. Поставлены задачи мониторинга показателей КЭЭ. Указаны новые стандарты, регламентирующие методы измерения этих показателей. В качестве объекта для разработки МФА показателей КЭЭ была выбрана АСЭ, которая может применяться в отдаленных населенных пунктах. Рассмотрены особенности технических характеристик современных цифровых анализаторов КЭЭ. Охарактеризована разработка, выполненная автором.
Ключевые слова: автономные источники электроснабжения, электроэнергия, показатели качества электрической энергии, методы анализа, математические методы, сплайн-интерполяция, цифровая фильтрация, аппаратные решения, программный комплекс, интерфейс с пользователем
DEVELOPMENT OF MULTIFUNCTIONAL ANALYZER OF ELECTRICITY QUALITY INDICATORS FOR CONTROL OF AUTONOMOUS ELECTRICAL SUPPLY SYSTEMS
The article has been received by editorial board 25.04.2017, in the final version — 23.06.2017.
Asiev Abay T., Kyrgyz State Technical University ater I. Razzakov, 66 Chingiz Aytmatov Ave., Bishkek, 720044, Kyrgyz Republic,
Cand. Sci. (Engineering), Head of the Department of Science, ORCID http://orcid.org/0000-0002-2013-6314, e-mail: asievat@gmail.com
This article is devoted to the development and application of a multifunctional analyzer of quality indicators of electrical power to control autonomous power supply systems. The author considers the necessary requirements for the quality of electrical power and measures aimed at reaching compliance with these requirements specified in GOST 32144-2013. The article defines equipment that creates electromagnetic interference and adversely affects the quality of electric power in
