CC BY
35
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. (Russian Federation)
Сравнительный анализ суточных вариаций ионосферы на точность определения координат и высот двухчастотными и одночастотными радионавигационными
приемниками
12
Агарышев А. И. , Симоненко А. М. (Российская Федерация)
]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.
