CC BY
15УДК 621.391:621.396
В. Г. Валеев, Д. И. Чермянинов
Уральский федеральный университет им. первого Президента России Б. Н. Ельцина
| Точность навигации аэрологического зонда средствами ГЛОНАСС*
Исследована точность измерения высоты аэрологического зонда штатными средствами ГЛОНАСС на территории Российской Федерации. Рассмотрен способ реализации дифференциального режима измерения в системе аэрологического зондирования атмосферы. Показана эффективность повышения точности измерения применением псевдоспутника на позиции аэрологической станции.
Аэрологическое зондирование, средства ГЛОНАСС, точность навигации
Точность оценки высоты АЗ штатными средствами ГЛОНАСС общего доступа.
Применение спутниковой навигации в системе аэрологического зондирования атмосферы (АЗА) [1] требует исследования точности определения текущих координат аэрологического зонда (АЗ) по сигналам систем спутниковой навигации. Исследованию этого вопроса применительно к системе ГЛОНАСС и посвящена настоящая статья.
Погрешность определения координат АЗ по сигналам GPS/ГЛОНАСС зависит от двух характеристик системы навигации: погрешности измерения псевдодальности от потребителя до навигационных космических аппаратов (НКА) и значения геометрического фактора (ГФ), определяемого конфигурацией НКА относительно АЗ.
Интегрированный бюджет погрешности определения псевдодальности до НКА, находящегося в зените, применительно к системам GPS/ГЛОНАСС [2] приведен в табл. 1 (oR - среднеквадратическое значение определения псевдодальности). Указанная в табл. 1
суммарная погрешность является минимально возможной в реальной аппаратуре, расположенной стационарно на земной поверхности и использующей одночастотный приемник без дифференциальных поправок. Напротив, датчик АЗ льшую часть времени находится высоко над поверхностью Земли, и поэтому ему не свойствен многолучевой прием. С исключением этого фактора можно ожидать, что прогнозируемая суммарная погрешность
измерения псевдодальности от АЗ до НКА будет меньше приведенной в табл. 1.
На точность определения координат АЗ существенно влияет значение ГФ. Среди измеряемых координат наиболее важной является высота АЗ. Мерой увеличения погрешности измерения высоты по сравнению с погрешностью измерения псевдодальности является значение вертикального ГФ (vertical dilution of precision - VDOP). Значение VDOP имеет неравномерное распределение на поверх-
Работа выполнена в рамках государственной поддержки развития кооперации российских высших учебных заведений и организаций, реализующих комплексные проекты по созданию высокотехнологичного производства, в соответствии с Постановлением Правительства РФ от 9 апреля 2010 г. № 218. (Договор № 13.G25.31.0008). 60 © Валеев В. Г., Чермянинов Д. И., 2012
Таблица 1
Источник погрешности CTr , м
Эфемериды 2.6
Часы спутника 2.0
Ионосфера 4.0
Тропосфера 0.5
Многолучевость 2.5
Приемник 1.5
Прочие 2.0
Суммарная погрешность 6.2
Рис. 1
ности Земли и изменяется во времени. Вид этого распределения представляет практический интерес и может быть рассчитан по альманаху системы. На рис. 1 показана карта распределения VDOP на территории РФ, рассчитанная по альманаху системы ГЛОНАСС* на 10 февраля 2011 года, 13 часов московского времени. Расчет выполнен с помощью программ из [3]. Из рис. 1 следует, что на территории РФ VDOP принимает значения в интервале 1.3...4.5. Таким образом, определение высоты АЗ по сигналам ГЛОНАСС на территории РФ может происходить с погрешностью до 25 м.
Реальная погрешность будет больше, поскольку в расчетах использована потенциальная точность измерения псевдодальности до НКА, расположенного в зените, и принято значение ГФ для статического положения АЗ, не учитывающего раскачивания зонда в процессе полета, при котором сигналы некоторых НКА могут временно пропадать.
Выполненный расчет показывает, что использование штатных средств ГЛОНАСС общего доступа для навигации АЗ приводит к погрешности определения высоты последнего, близкой к предельно допустимой для системы аэрологического зондирования атмосферы. При возникновении нештатных ситуаций в орбитальной группировке НКА, появлении помех, маскирующих навигационные сигналы, и при возникновении других неучтенных условий уровень погрешности определения высоты АЗ может выходить за пределы допустимых значений. Радионавигационным планом РФ** возможные погрешности определения координат потребителя системой ГЛОНАСС для полной орбитальной группировки задаются табл. 2.
Для создания резерва по точности координатных определений средствами ГЛОНАСС необходимо использовать дифференциальный режим измерений [2] и применить технологию наземного дополнения в виде псевдоспутников (ПС)***. Дифференциальный режим позволяет снизить погрешность измерения псевдодальности, а применение ПС - уменьшить ГФ.
Дифференциальный режим навигации аэрологического зонда. Реализовать дифференциальный режим (ДР) измерений в системах АЗА на территории Российской Федерации можно только созданием локальной дифференциальной подсистемы (ЛДПС).
Таблица 2
Параметр Вероятность, % Значение
Погрешность местоопределения • в горизонтальной плоскости 95 28 м
• в вертикальной плоскости 60 м
• в горизонтальной плоскости 99.99 140 м
• в вертикальной плоскости 585 м
Погрешность передачи времени 95 700 нс
' База данных альманахов для систем GLONASS и GPS в формате yuma // URL: ftp://merope.feld.cvut.cz/pub/almanac/yuma/
* Радионавигационный план Российской Федерации. Основные направления развития радионавигационных
систем и средств (редакция 2008 года) // URL: www.internavigation.ru
** ООО "ВедаПроект", проект "Псевдоспутник" // URL: http://vedapro.ru/pseudo.php
В соответствии с* типовая ЛДПС должна состоять:
• из контрольно-корректирующей станции, осуществляющей контроль качества сигналов, определение дифференциальных поправок и их формирование для передачи потребителю;
• аппаратуры передачи дифференциальных поправок;
• приемной аппаратуры потребителей, обеспечивающей прием и учет дифференциальных поправок.
Для системы АЗА структура ЛДПС может быть существенно упрощена. Объектом, относительно которого извлекается навигационная информация в системе АЗА, является АЗ. Информация о текущих координатах АЗ используется на аэрологической станции (АС) и поэтому может формироваться на АС в конечном виде. При этом исключается необходимость использования аппаратуры, которая готовит дифференциальные поправки, передает их потребителю, обеспечивает прием и учет дифференциальных поправок потребителем.
Для реализации ДР достаточно передавать с АЗ на АС навигационную информацию в необработанном виде, которая включает:
• номера НКА, находящихся в зоне видимости АЗ;
• значения измеренных псевдодальностей до всех НКА в зоне видимости АЗ;
• значения измеренных псевдоскоростей относительно всех НКА в зоне видимости АЗ;
• значения времени, которым соответствуют измерения.
Данная информация формируется навигационным приемником АЗ и может быть передана на АС по телеметрическому каналу в составе телеметрической информации.
При этом на АС необходимо иметь опорную измерительную станцию (ОИС), в которую входит следующая аппаратура (рис. 2):
• блок выделения навигационной информации БВНИ, передаваемой с АЗ на АС по телеметрическому каналу;
• навигационный приемник НПАС, размещенный на АС с точной координатной привязкой фазового центра антенны;
• блок формирования дифференциальных поправок БФДП к навигационной информации, принятой с АЗ;
• блок коррекции БК навигационной информации, принятой с АЗ;
• блок вычисления координат АЗ БВКАЗ по скорректированной навигационной информации, принятой с АЗ.
Указанные блоки выполняют следующие функции:
• БВНИ выделяет навигационную информацию из потока телеметрической информации, передаваемой с АЗ на АС;
• НПАС выдает навигационные данные относительно АС, аналогичные передаваемым с АЗ (данные 1), а также представляет эфемеридную и другую служебную информацию (данные 2), необходимую для вычисления координат АЗ;
Рис. 2
* Радионавигационный план Российской Федерации. ... // URL: www.internavigation.ru 62
• БФДП формирует дифференциальные поправки на основании данных 1 и 2, а также данных координатной привязки НПАС;
• БК осуществляет коррекцию навигационных данных, принятых с АЗ, используя сформированные поправки;
• БВКАЗ вычисляет координаты АЗ, используя скорректированные навигационные данные, эфемеридную и другую служебную информацию относительно видимых НКА, полученную от НПАС.
Использование ДР в несколько раз снижает погрешность измерения псевдодальности [2], что приводит к такому же снижению погрешности оценки высоты АЗ.
Повышение точности оценки высоты АЗ применением псевдоспутника. Применение ПС позволяет снизить значение ГФ и за счет этого повысить точность оценки координат АЗ. Далее приведены результаты расчета распределения УБОР на территории, обслуживаемой АС "Верхнее Дуброво", при следующих условиях:
• скорость подъема зонда 5.5 м/с, скорость сноса 20 м/с;
• координаты АС, с которой происходит запуск зонда: а = 56°45'00'' с. ш.; в = 61°02'39'' в. д.;
• дата и время запуска АЗ - 10 февраля 2011 г., 15.00 ч. по Гринвичу;
• шаг дискретизации по долготе и по широте при расчете распределения УБОР 0.2°;
• размещение ПС - на позиции АС.
Расчет выполнен с помощью программ, приведенных в [3], адаптированных для решения поставленной задачи. Расчетная программа написана в среде МЛТЬЛВ.
На рис. 3 представлены результаты для случая, когда навигация АЗ выполняется только штатными средствами ГЛОНАСС (без применения ПС), а на рис. 4 - с применением одного ПС, установленного на позиции АС. Из представленных результатов следует:
• что без использования ПС максимальное значение УБОР равно 4.2, минимальное -1.076, среднее значение - 2.18;
• при использовании ПС максимальное значение УБОР равно 1.8, минимальное - 0.85, среднее значение - 1.29.
УБОР
УБОР
59.5 60.5 61.5
Рис. 3
4
в, ... °
59.5 60.5 61.5
Рис. 4
1.8
1.6
1.4
1.2
1.0
0.8
о
о
3
2
1
в
О
Таблица 3
ВЗ Без ПС С ПС Выигрыш
VDOP КС VDOP КС
max min среднее max min среднее
0:00 2.103 1.087 1.581 7.86 1.498 0.835 1.122 8.86 1.41
3:00 2.600 1.190 1.730 6.74 1.736 0.910 1.173 7.74 1.47
6:00 2.997 1.215 1.856 6.74 1.965 0.945 1.200 7.74 1.55
9:00 2.151 1.156 1.603 7.68 1.504 0.924 1.134 8.68 1.41
12:00 2.126 1.081 1.567 8.18 1.504 0.850 1.047 9.18 1.50
15:00 4.201 1.076 2.180 7.27 1.825 0.850 1.292 8.27 1.69
18:00 2.896 1.191 1.782 6.58 1.729 0.911 1.158 7.58 1.54
21:00 2.183 1.028 1.478 7.47 1.610 0.810 1.050 8.47 1.41
Вычисленным значениям VDOP соответствуют следующие погрешности измерения высоты АЗ (без применения ДР): максимальная среднеквадратическая погрешность определения высоты АЗ на рассмотренной территории штатными средствами ГЛОНАСС (без применения ПС) равна 24 м, а с применением ПС - 10 м.
Распределения VDOP зависит от времени запуска (ВЗ) АЗ. В табл. 3 представлены расчеты VDOP для различного ВЗ АЗ (указано по Гринвичу). В последней колонке таблицы показан выигрыш в точности навигации АЗ при использовании ПС, определенный как отношение средних значений VDOP, соответствующих режимам с ПС и без ПС. В колонке КС приведено среднее значение видимых спутников за время полета АЗ.
Полученные результаты показывают, что применение одного ПС на позиции АС позволяет снизить погрешность измерения высоты АЗ средствами ГЛОНАСС в среднем в 1.5 раза.
Список литературы
1. Плохих О. В., Иванов В. Э. Некоторые результаты разработки системы радиозондирования атмосферы на основе спутниковых навигационных платформ GPS-ГЛОНАСС // Изв. вузов России. Радиоэлектроника. 2009. Вып. 6. С. 66-74.
2. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А. И. Перова, В. Н. Харисова. 4-е изд. М.: Радиотехника, 2010. 800 с.
3. Конин В. В., Харченко В. П. Системы спутниковой радионавигации. Киев.: Холтех, 2010. 520 с.
V. G. Valeev, D. I. Chermyaninov
Ural federal university n. a. the first President of Russia B. N. Yeltsin
Accuracy of aerological weather balloons navigation by means of global navigation satellite system GLONASS
The subject of investigation is the accuracy of aerological weather balloons navigation by means of global navigation satellite system GLONASS. The possibility of navigation accuracy improvement with the usage of pseudo satellite placed at the position of surface aerological station is shown.
Aerological flexing, global navigation satellite system GLONASS, precision of navigation Статья поступила в редакцию 7 июня 2011 г.
