автореферат диссертации по транспорту, 05.22.13, диссертация на тему:Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы

На правах рукописи

□03470417

Горбачев Олег Анатольевич

НАВИГАЦИОННОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ В УСЛОВИЯХ ВОЗМУЩЕННОЙ ИОНОСФЕРЫ

Специальность 05.22.13 - Навигация и управление воздушным движением

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени доктора технических наук

МОСКВА - 2009

003470417

Диссертационная работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный консультант: доктор технических наук,

профессор Нечаев Е.Е.

Официальные оппоненты:

Лукин Д.С., профессор, доктор физико-математических наук;

Кораблев А.Ю., доктор технических наук;

Рубцов В.Д., профессор, доктор технических наук.

Ведущая организация: ОАО Московское конструкторское бюро «Компас».

Защита состоится «//» Си-о/т'Л?__ 2009г. в 1500 часов на заседании диссертационного совета Д.223.011.01 Московского государственного технического университета гражданской авиации по адресу:

125993, г. Москва, А-493, Кронштадтский бульвар, 20.

С диссертационной работой можно ознакомиться в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан « ¿V» с^М*®-^_2009г.

Заверенный отзыв просим направлять по указанному адресу на имя ученого секретаря диссертационного совета.

Ученый секретарь диссертационного сове™

доктор технических наук, профессор

Общая характеристика работы Актуальность работы. На долю воздушного транспорта в общем объеме перевозок в Российской Федерации приходится более трети всего пассажиро-оборота и существенная часть грузоперевозок. Особую роль в процессе эксплуатации воздушного транспорта играет проблема обеспечения регулярности и безопасности полетов, включающая в себя множество составляющих, важнейшая из которых - организация и надежность функционирования системы УВД. Как известно, система УВД является достаточно сложной, многоуровневой системой, источниками информации для которой в настоящее время служат первичные и вторичные радиолокаторы, автоматические радиопеленгаторы, радиотехнические средства навигации, средства связи и другое радиооборудование.

Любой сбой в работе системы УВД потенциально может привести к авиационному происшествию или катастрофе. Анализ авиационных происшествий показывает, что наиболее распространенными их причинами является нарушение правил эшелонирования и потеря экипажем ориентации в пространстве при заходе на посадку.

Очевидно, что обе причины связаны с недостаточной эффективностью навигационного обеспечения ВС, которое в настоящее время в основном обеспечивается традиционными средствами навигации.

Известные недостатки этих средств навигации привели к тому, что в концепции 1САО СЫБ/АТМ предусмотрена организация навигационного обеспечения ВС ГА на базе спутниковых систем навигации (ССН), имеющих следующие преимущества перед традиционными средствами навигации:

- глобальность действия, которая следует из самой структуры системы;

- высокая точность позиционирования и независимость от внешних условий, которые обеспечиваются характеристиками сигнала, применяемого для передачи навигационной информации;

- неограниченная пропускная способность, вытекающая из принципа действия системы;

- возможность реализации дифференциального режима с использованием ба-

зовых элементов системы.

Принцип работы ССН основан на передаче кодированных радиосигналов от навигационного спутника (НС) к пользовательскому оборудованию (ПО), работающему в пассивном режиме. Источник навигационной информации здесь заключен в самом сигнале, что априори подразумевает наличие погрешностей позиционирования трех типов:

1. Погрешности, генерируемые навигационными спутниками;

2. Погрешности, генерируемые пользовательским оборудованием;

3. Погрешности, генерируемые средой распространения сигнала.

Погрешности 3-го типа включают в себя ионосферную и тропосферную

рефракцию и изменение траектории сигнала вследствие многолучевого распространения. Их количественные значения в технически исправной ССН определяются условиями распространения навигационного сигнала, которые, в свою очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако многочисленные исследования, проведенные для ССН GPS (единственной на сегодня общедоступной спутниковой системой навигации), показывают, что при любых условиях основной вклад в погрешности позиционирования 3-го типа дает ионосфера. Установлена прямая зависимость между ионосферной погрешностью ССН GPS и полным электронным содержанием (ПЭС), определяемым как количество электронов в радиальном относительно поверхности Земли столбе единичного сечения околоземного космического пространства (ОКП).

Следует отметить, в период первоначальной эксплуатации ССН ошибки 1-го и 2-го типов превалировали над ионосферными погрешностями. Однако ряд технических и программных решений позволил значительно снизить влияние на качество навигационного обеспечения ошибок 1-го и 2-го типов. Кроме того, в связи с началом внедрения в систему УВД некоторых элементов концепции ICAO CNS/ATM значительно ужесточились требования к качеству навигационного обеспечения ВС. Это приводит к необходимости повышения надежности и точности ССН, что невозможно без учета ионосферы.

Необходимо заметить, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит к увеличению погрешностей ССН. Кроме того, в настоящее время установлено, что ионосфера является единственной причиной (нетехнического характера) сбоев в работе ССН, что также особенно явно проявляется во время ионосферных возмущений.

Отметим, что в двухчастотном ПО проблема компенсации ионосферных погрешностей решена с достаточной точностью. Однако навигационное обеспечение ВС ГА по ряду причин экономического и технического характера построено на использовании в качестве бортового оборудования одночастотного ПО, для которого проблема компенсации ионосферных погрешностей, в силу вышесказанного, имеет важное значение.

Таким образом, возникает актуальная научная проблема повышения эффективности навигационного обеспечения воздушных судов гражданской авиации путем уменьшения ионосферных погрешностей ССН.

Цель и задачи исследования. Целью работы является повышение эффективности навигационного обеспечения ВС гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы при использовании в качестве основного средства навигации одночастотных приемников ССН. Для достижения этой цели были решены следующие задачи:

- проведен анализ требований к навигационному обеспечению ВС гражданской авиации в условиях реализации концепции 1САО СИЯ/АТМ, предполагающей в качестве основы подсистемы навигации глобальные ССН;

- проведен анализ погрешностей ССН, обусловленных средой распространения сигналов НС, дисперсионных характеристик ОКП в низко- и высокочастотной областях спектра и сравнительный анализ моделей ионосферы относительно точности представления ионосферных параметров и возможности использования в программном обеспечении одночастотного ПО;

- исследован процесс взаимодействия низкочастотных (НЧ) волн с ОКП с целью расчета вклада данного типа взаимодействия в ионосферные погрешности ССН;

- разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера» на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП, с целью её использования в качестве инструмента уменьшения ионосферных погрешностей ССН;

- в рамках модели определено влияние возмущенной по концентрации ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних и высоких широтах;

- на основе модели определено влияние на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности ионосферы в высоких широтах;

- разработано физико-математическое и аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО;

- разработана и экспериментально апробирована методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS;

- в рамках представленной методики проведено экспериментальное исследование влияния нерегулярных вариаций ионосферных параметров на точность позиционирования ССН, изучены возможные воздействия ионосферных возмущений на работу ССН с целью повышения качества навигационного обеспечения ВС ГА;

- проведено экспериментальное исследование качества разнесенного приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками, имитирующее их размещение на борту ВС.

Методы исследования. При решении перечисленных задач в работе были использованы теоретические и эмпирические методы исследования ионосферы и ОКП, прикладные методы функционального анализа, методы матричного исчисления, численные методы, методы математического моделирования, пакеты прикладных математических и навигационных программ, а также экспериментальные исследования с помощью навигационного оборудования стандартного и специализированного назначения.

Научная новизна работы. Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера», учиты-

вающая процессы взаимодействия «волна-частица» в ОКП, с возможностью интегрирования в программное обеспечение одночастотного ПО. На основе модели определено влияние возмущенной по концентрации и волновой активности ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГЛ в средних, высоких и субав-роральных широтах. Предложена методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО, с помощью которой изучено влияние нерегулярных возмущений ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА. Проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками с выработкой рекомендаций по оптимальному расположению их антенн относительно друг друга на борту ВС.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1. Определены последствия регулярных возмущений ПЭС на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА с использованием расчетов суточных вариаций ПЭС на средних и высоких широтах в условиях спокойной и возмущенной ионосферы;

2. Показана возможность появления сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА в высокоширотной ионосфере из-за наличия в ней области аномального рассеяния сигналов ССН;

3. Показано, что в авроральной ионосфере имеются регулярные источники НЧ излучения, существенно влияющие на навигационное обеспечение ВС ГА вследствие потери работоспособности РНС НЧ диапазона, входящих в состав региональной дифференциальной подсистемы Eurofix;

4. На основе разработанной методики определения ионосферных погрешностей ССН экспериментально подтверждено существование ранее теоретически предсказанных нерегулярных возмущений ПЭС, а также обнаружено новое свойство ионосферы - наличие в ней крупномасштабных периодических возмущений ПЭС с частотами 3 + 5 миллигерц;

5. Определены последствия нерегулярных возмущений ионосферы на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА;

6. На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между антеннами размещенных на борту ВС одночастотных приёмников, позволяющее повысить эффективность приема сигналов ССН. На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по ПЭС ионосферы на средних и высоких широтах;

2. Результаты теоретического исследования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности высокоширотной и субавроральной ионосферы;

3. Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS, основанная на измерении разности фазовых путей навигационных сигналов от двух НС и её физико-математическое обеспечение;

4. Результаты экспериментальных исследований воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА нерегулярных вариаций ПЭС, полученных на основе методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS;

5. Методика эксперимента и результаты экспериментальных исследований качества приема сигналов НС двумя одночастотными приемниками GPS с имитацией размещения их антенн на борту ВС.

Научная н практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- влиять на точность и надежность навигационного обеспечения ВС ГА на трассах, проходящих в высоких и субавроральных широтах, путем прогноза вариаций ионосферных погрешностей, а также сбоев в работе ССН, в зависимости от уровня возмущенности ионосферы;

- обеспечить требуемый уровень безопасности полетов путем повышения точности определения местоположения и скорости ВС при использовании одночастотных приемников ССН в качестве бортового оборудования;

- определять ионосферные погрешности ССН с помощью одночастотных приемников с небольшими финансовыми затратами, высоким временным и

пространственным разрешением, а также возможностью мобильно и оперативно изменять геометрию измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях; - определить оптимальное с точки зрения качества приема навигационных сигналов расстояние между антеннами устанавливаемых на ВС ГА одно-частотных приёмников GPS.

Внедрение результатов. Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, ОАО Московское КБ "Компас", ИГУ, ИрГУПС, что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность результатов основана на использовании общепринятых достижений физики околоземного космического пространства, применении апробированных программных продуктов, корректности методов математического моделирования на ПЭВМ, согласованности экспериментальных результатов, полученных в ходе исследований на серийно выпускаемых навигационных приемниках, с результатами других авторов.

Апробация результатов. Результаты выполненных исследований докладывались на: XIII Научной конференции ученых ИрГТУ, г. Иркутск, 2004г., Секции «Физика околоземного пространства» Байкальской школы фундаментальной физики, г. Иркутск, 2006-2007гг., 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо, г. Севастополь, 2008г., Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85-летию Гражданской авиации России, г. Москва, МГТУ ГА, 2008г., ежегодных научно-технических семинарах кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2003 - 2008 гг., ежегодных научных семинарах кафедры радиофизики физического факультета ИГУ в 2005 - 2008 гг., научно-техническом семинаре кафедры УВД факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА в 2008г.

Публикация результатов. Основные результаты диссертации представлены в 27 публикациях в российских и зарубежных научно-технических журналах.

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 291 страниц текста, 82 рисунка, 15 таблиц, 4 листинга программ и библиографию из 247 наименований. Общий объем работы 324 страницы.

Содержание работы

Во введении дана постановка задачи, обоснована актуальность темы, сформирована цель и задачи исследований, изложена структура диссертации.

В первой главе диссертационной работы приведены требования к навигационному обеспечению воздушных судов ГА в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM, определяющей ССН в качестве основного средства навигации. Их сравнение с количественными значениями требований к ССН, приведенных в Российском радионавигационном плане, показывает, что точностные характеристики ССН удовлетворяют требованиям авиационных потребителей при полетах по маршруту и некатегорированном заходе на посадку.

Проведен анализ современного состояния ССН GPS и ГЛОНАСС. Показано, что с помощью базовых станций GPS, осуществляющих постоянный мониторинг навигационного поля и выдачу параметров принимаемых сигналов в сеть Internet, возможно изучение среды распространения сигналов GPS. Для этого необходимо иметь средства слежения, не входящие в систему управления ССН, с функцией непосредственного измерения параметров орбит (эфемерид) НС. Такие измерения производятся путем лазерной дальнометрии и публикуются в internet на сайте международной службы лазерных дальномерных измерений (International Laser Ranging Service - ILRS). Таким образом, эфемериды всех НС (точнее - фазовых центров передающих антенн) орбитальной группировки в текущий момент времени могут считаться известными с ошибкой в несколько сантиметров, откуда следует возможность изучения среды распространения сигналов GPS, исходя из параметров самого сигнала.

В главе дан сравнительный анализ погрешностей ССН. Показано, что наиболее важными с точки зрения повышения точности навигационного обеспечения ВС ГА являются погрешности, вносимые средой на трассе распространения

сигналов. Для примера на рис.1, по данным с официального сайта GPS, показано влияние различных факторов на точность определения координат в ССН GPS.

Анализ данных, приведенных на рис.1, показывает, что основной вклад в ошибки, обусловленные средой распространения сигналов ССН, вносит ионосфера. Тропосферная погрешность имеет намного меньшую величину вследствие малости высотной протяженности тропосферы (15+20 км) по сравнению с ионосферой (~500 км) и для большинства задач воздушной навигации лежит в пределах требуемой точности местоопределения.

Процентное соотношение между ошибками различных типов в ССН GPS

100 -|

Рис. 1. Влияние различных факторов на величину ошибки позиционирования в ССН GPS.

Показана возможность уменьшения ионосферных и тропосферных погрешностей при использовании недорогих одночастотных приемников ССН посредством измерения параметров сигнала и метода разнесенного приема.

Изучены особенности построения используемой в настоящее время бортовой навигационной аппаратуры ССН, в частности, многофункциональной измерительной аппаратуры, обеспечивающей определение пространственной ориентации ВС по сигналам ССН ГЛОНАСС и GPS с требуемой погрешностью определения курса, крена и тангажа ВС с помощью нескольких приемных антенн, позволяющих создать базу для интерферометрических измерений.

Во второй главе диссертационной работы изучены свойства околоземного космического пространства - главного источника погрешностей ССН нетехнического характера. Показано, что вне зависимости от уровня возмущенности ОКП орбиты навигационных спутников ССН лежат внутри плазмосферы - области относительно «холодной» плазмы с концентрацией заряженных частиц 102 н-Ю4 см'3 и температурой кЮ4 К, «вмороженнной» в геомагнитное поле и вращающейся как единое целое вместе с Землей (рис.3). На внешней границе плазмосферы - плазмопаузе плотность плазмы падает примерно до -1.0 см'3. Внутри ОКП текут токи - кольцевой ток, текущий в плоскости экватора в западном направлении на расстоянии ~ 4-^6 земных радиусов и продольные токи, вытекающие из ионосферы высоких широт или втекающие в нее (рис.2). Существование токов напрямую связано магнитными бурями. Во время главной фазы магнитной бури происходит усиление продольных токов в высокоширотной ионосфере и, соответственно, усиление кольцевого тока, который замыкается на нижележащую ионосферу посредством продольных

Рис. 2. Система токов в ОКП.

токов. Происходит усиление

кольцевого тока и за счет увеличения конвекции плазмы из области плазменного слоя. Таким образом, плотность тока во всех токовых системах ОКП растет, что приводит к усилению магнитного поля этих токов. В итоге суммарное магнитное поле (статическое геомагнитное поле плюс переменное магнитное поле токов) заметно ослабляется, следствием чего являются различные ионосферные явления - полярные сияния, высыпания энергичных частиц из радиационных поясов, развитие плазменных неустойчивостей различной природы и т.д. Кроме того, увеличиваются размеры плазмосферы и происходит её "вытягивание" на вечерней стороне (рис. 3).

Плымопоуза

Учитывая, что основная часть ПЭС сосредоточена в ионосфере, проведен сравнительный анализ ионосферных моделей относительно возможности их использования в одночастотном ПО. Показано, что эмпирическая модель Клобучара, используемая в математическом обеспечении одночастотно-

го ПО, весьма не точна по сравнению с дру-Рис. 3. Экваториальное сечение плазмо-

сферы во время главной фазы магнит- гими ионосферными моделями и ее приме-ной бури. I. - параметр Мак-Илвайна.

нение в ССН обусловлено простотой реализации. Более точные модели ионосферы - 1М и №(2шск слишком сложны для их реализации в одночастотном ПО.

В главе проведен анализ дисперсионных характеристик ОКП, на основе которого изучены вопросы усиления и распространения электромагнитных воли в НЧ и ВЧ диапазонах. Показано, что на характеристики сигнала НС в диапазонах 11 и 1.2 влияет только величина ПЭС. Исследовано влияние ионосферы на характеристики сигнала НС, которое проявляется через взаимодействие НЧ волн с тепловой плазмой ОКП на черенковском резонансе. При этом воздействие НЧ волны с независимой от времени амплитудой на заряженную частицу описывается уравнением диффузионного типа в пространстве скоростей:

дг до,.

(1)

где - коэффициент диффузии, - функция распределения частиц сорта а, а = еД и,, - продольная относительно геомагнитного поля компонента скорости. В диссертации получены выражения для коэффициентов квазилинейной диффузии электронов и индуцированного рассеяния ионов на НЧ волнах:

Электроны: о£л =

8к е е^сЧ2

N

-1

+ 2Х(л

(2)

1 + Х

Ионы: (3) Здесь: W(x)- спектральная интенсивность НЧ волн, X = сй/о}^, иА - альвенов-ская скорость, тв1- ларморовская частота ионов, - вероятность

индуцированного рассеяния на ионах волны о,(№,,!<,) с превращением в волну ст(со,к), =-т-—-К, к - спектральная интенсивность

волны с, - тензор диэлектрической проницаемости.

Выражения (2), (3) позволяют с помощью метода моментов рассчитать вклад от рассматриваемого взаимодействия в величину и характер поведения погрешностей позиционирования ССН.

В третьей главе диссертации исследуется влияние возмущенной по концентрации ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА при использовании ССН в качестве основного средства навигации. Решение данной задачи имеет практическое значение для навигации, так как вариации электронной концентрации в ионосфере приводят к вариациям ПЭС, в результате чего изменяется показатель преломления среды распространения сигнала ССН (то есть величина группового пути сигнала ССН), что приводит к погрешностям позиционирования ССН. Так как орбиты НС лежат внутри плазмосферы (см. рис.3.), выберем в качестве объекта исследования систему «ионосфера-плазмосфера», а в качестве инструмента исследования - численную модель, в которой согласованно рассчитывается нагрев плазмы различными источниками, учитываются эффекты нестадионарности, используется дипольное приближение геомагнитного поля, а интегрирование проводится вдоль геомагнитной силовой линии.

В качестве теоретической основы модели используем систему гидродинамических уравнений, описывающих распределение основных параметров системы «ионосфера-плазмосфера» - концентрации, направленной скорости, температуры и потока тепла. Данная система получена в диссертация из кинетиче-

ского уравнения для сглаженной по осцилляциям функции распределения, правая часть которого описывает изменения функции распределения за счет различного рода столкновительных процессов

^ Зг т„

г - -> \ с

у

ОМ бt

с помощью процедуры усреднения по фазовому пространству с соответствующими фазовыми множителями в рамках 13-ти моментного приближения Грэда, применяемого для гидродинамического описания разреженной плазмы:

от а дБ бг

(6)

2 2 ° а 35 а' ад5К

dt а\5 дэ 5 а а 35/ 2 та Зэ 61:' Здесь: d/dt = 3/3t + v(3/3s), ш, N. Т и Б - соответственно масса, концентрация, температура и поток тепла заряженных частиц, V - гидродинамическая скорость вдоль направления геомагнитного поля В, аг = В/В0 - сечение геомагнитной силовой трубки, дв- проекция ускорения свободного падения на силовую линию, а = е, 1, 1 = Н+, 0+. В правых частях уравнений (5)-(8) учтены процессы образования и гибели ионов 0+, Н+, N0* и О2, наличие продольных токов, поступление энергии в систему от сверхтепловых электронов, взаимодействия НЧ волн с тепловой плазмой в области геомагнитного экватора, взаимодействия ионно-звуковых волн с тепловой плазмой на высотах внешней ионосферы.

Система уравнений (5)-(8) интегрировалась по координате Б, направленной вдоль силовой линии геомагнитного поля с граничными условиями:

У,(Ь0,1) = 0; Тц(Но,1:) = Тп01о,1:); 511(И0Д) = О, 11о=100км.

и согласованными по величине шагами по времени t и координате S. Входными параметрами модели являются широта, параметры нейтральной атмосферы, индексы солнечной и геомагнитной активности.

Вариации ПЭС в среднсширотной ионосфере. Полное электронное содержание вдоль луча «ПО-НС» в геоцентрической системе координат представимо в известном виде:

D(t)

I(t)= jN(t,r)dr, (9)

о

где N(t,r) - высотно-временной профиль электронной концентрации,

(хнс, унс, гнс), (хпо, упо, гп0)- геоцентрические координаты НС и ПО соответственно, Г - текущая координата вдоль луча.

Для расчета вариаций погрешностей ССН, пропорциональных вертикальному ПЭС, необходимо перейти от наклонного ПЭС, определяемого (9), к его вертикальному значению соответствующему значению угла места НС

0НС = 90°. Очевидно, что = 1(1:)зтОнс, однако с учетом сферичности Земли необходимо использовать известное соотношение:

где hmax —300 км - высота максимума F-слоя ионосферы. Используя известные

унс = агссоз(8Н1ф51Пфнс + созфсозфнссо5(>.нс -А.)), где Янс- радиус орбиты НС, фД - геодезические широта и долгота ПО, фнс, Хнс - геодезические широта и долгота НС, *(/нс- центральный угол между НС и точкой нахождения ПО, и формулы (9)-(10), в диссертации выполнены расчеты вариаций суточного хода ПЭС в системе «ионосфера-плазмосфера». Полученные результаты сравнивались со значениями ПЭС, измеренными мировой сетью базовых ОР8-станций и

D(t) = [(xHC-xTO)2+(yHC-yno)2+(zHC-zno)2]'2 - дальность до НС,

1/2

(10)

выражения для угла места

выложенными в Интернет в виде файлов IONEX. На рис.4 представлен суточный ход вертикального ПЭС для спокойных условий в северном полушарии (ф = 66°), восстановленный по файлам IONEX (квадраты) и вычисленный по представленной модели системы «ионосфера-плазмосфера» (сплошная кривая), в единицах TECU (Total Electron Content Unit, 1 TECU = 1010 см'2) при угле места

Рис.4. Суточный ход величины ПЭС для северного полушария (<р = 66°), рзеечи-танный по модели системы «ионосфера-плазмосфера» (сплошная кривая) и восстановленный по файлам IONEX (квадраты).

0НС =45°. Максимум ПЭС наблюдается в 13.30 LT, а минимум - в 4.30 LT. В ночные и вечерние часы величина ПЭС примерно в 6 раз меньше, чем в дневные часы. Это объясняет хорошо известный факт: среднестатистическая погрешность ССН GPS за счет ионосферной рефракции падает с 30 м днем до 6 м ночью, что приводит к соответствующему улучшению точности навигационного обеспечения в ночные часы. Расчеты ПЭС, выполненные без учета взаимодействия НЧ волн с ОКП, дают вариации суточного хода ПЭС, аналогичные показанным на рис.4, но с абсолютной величиной ПЭС, меньшей примерно на 25%, что не согласуется с измерениями ПЭС, восстановленными по файлам IONEX. С уменьшением угла места вариации ПЭС усиливаются, что приводит к снижению точности навигационного обеспечения за счет увеличения дневных значений погрешностей позиционирования ССН GPS, однако разница значений ПЭС, соответствующих 9НС = 90° и 6НС = 0°, не превышает 25% .

Вариации ПЭС в высоких и субавроральных широтах. Хорошо известно, что ионосфера этих широт большую часть времени находится в возмущенном состоянии, уровень которого зависит от внешних н км условий. Поэтому при использовании ССН в качестве основного средства навигации точность и ю4 надежность навигационного обеспечения ВС ГА на трассах, проходящих в высоких и субавроральных широтах, зависит от полноты учета физических процессов, происходящих в ионосфере. В представленной модели одним из следствий учета взаимодействия НЧ волн с возмущенным 10'

ОКП является появление на высотах выше мак- Рис 5 дин "„^области нешотер-

симума Ргслоя ионосферы области неизотер- мичности в ионосфере при различном времени взаимодействия НЧ мичности ионосферной плазмы, динамика кото- волн с ОКП: 1 - 4 часа; 2-6 часов.

рой показана на рис.5. Неизотермичность плазмы приводит к генерации ионно-звуковых колебаний в ней, то есть к существенному увеличению эффективных частот столкновений, что приводит к уменьшению электронного потока тепла, стекающего из экваториальной области плазмосферы в нижележащую ионосферу. Так во внешней ионосфере возникает «ионно-звуковая пробка», впервые изученная автором, которая может приводить к более сильным (относительно среднеширотной ионосферы) возмущениям ПЭС и, как следствие, к снижению точности навигационного обеспечения ВС ГА при использовании ССН в качестве основного средства навигации.

Для существования ионно-звуковой неустойчивости плазмы при соотношении Т,,/^ «3.4-г7(рис.5) необходимо наличие продольного тока =епи, в котором и превышает некоторое значение икр. Инкремент генерации ионного звука можно получить из дисперсионного уравнения плазмы при < со/к « и:

1 =

л ю.

(и-иКР), икр = и, + ие

/ V2

е

чТ,,

ехр

V 2 2Т1/

(11)

где ие1 - тепловые скорости электронов и ионов, со5 и us- частота и скорость

ионного звука. Оценка уровня ионно-звуковой турбулентности возможна в предположении, что распределение электронов сдвинуто по скорости относительно ионов на величину и, а релаксация неравновесного распределения частиц плазмы происходит квазилинейно. Опуская промежуточные выкладки, имеем:

VI

—§- = 2.6-10 я ПТ„

Г / ч!/2

т.

л

Т,

И^П,), (12)

■ г^у.-.- /тГт. сои Те „ .

гае к«1„ V, » —Р-ф. уе = — Г„ - дебаевскии ради-

ол \ т1 ^ 4л/2тт Т| ^ 8 ) тец.

ус, шр1 - плазменная частота ионов, у^ - частота столкновений ион-ион, Еч -

напряженность электрического поля волны.

Ионно-звуковые волны изменяют тепло- и электропроводящие свойства

ионосферы из-за появления дополнительного рассеяния электронов на них.

Представляя плазмон ионного звука как тяжелую заряженную частицу, можно

считать рассеяние на ней электрона кулоновским с эффективной частотой:

уте юр1 6Л/27хие

Для выяснения роли «ионно-звуковой пробки» в возмущениях ПЭС на высоких и субавроральных широтах (ср = 66°^75°), где существуют продольные токи, в правых частях уравнений (4)-(7) учитывались члены, описывающие рассеяние тепловых электронов на ионно-звуковых волнах с частотой (13) и прямой омический нагрев ионосферы продольным током:

ц 2^2^=4.5 -10"^, (14)

3 о е2пе 11 пе 11

где Уе - частота столкновений электрон-электрон, а значения ^ лежат в пределах (1(Гб +1СГ4)А -м"2 в зависимости от уровня геомагнитной активности.

Расчеты вариаций суточного хода ПЭС, обусловленные влиянием ионно-звуковой неустойчивости на систему «ионосфера-плазмосфера» представлены на рис. 6. Показан суточный ход вертикального ПЭС для возмущенных условий

в северном полушарии (ф = 69.3°), восстановленный по файлам ЮМЕХ (квадраты) и вычисленный по представленной модели (сплошная кривая - с учетом, пунктир - без учета ионно-звуковой пробки). Видно, что учет ионно-звуковой пробки дает достаточно хорошее соответствие между измеренным и вычисленным ПЭС, в то время как расчеты без учета ионно-звуковой пробки дают явно заниженные значения ПЭС. Наибольшие расхождения (до 35%) между значениями ПЭС наблюдаются в вечернее время суток с 16.00 1_Т до 19.00 1_Т, что ТЕСТ!

30 25 20 15 10 5

0 3 б 9 12 15 18 21 2-1

и

Рис.6. Суточный ход величины ПЭС для северного полушария (<р = 69.3°). согласуется с экспериментальными измерениями плотности продольных токов с наиболее высокими значения ]ц в вечернее время суток.

Таким образом, проведенные расчеты показывают, что в условиях возмущенного ионосферы в диапазоне широт 66°+75° происходит значительное (до 35% относительно невозмущенного уровня) повышение ПЭС, что приводит к соответствующему росту ионосферной погрешности ССН и соответствующему снижению точности навигационного обеспечения ВС ГА. Данный эффект усиливается тем, что на высоких широтах, вследствие известных свойств орбитальных группировок ССН, углы места видимых НС уменьшаются.

В четвертой главе диссертационной работы исследовано воздействие на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной но волновой активности ионосферы. Рассмотрены два механизма: развитие ионно-звуковой неустойчивости в зоне неизотермичности в высокоширотной ноносфере и обусловленная нерав-

новесным состоянием ОКП генерация различных типов ОНЧ ( < ЗОкГц) и НЧ (ЗОкГц -гЗООкГц) волн, которые далее будем называть НЧ волнами.

Навигационные аспекты существования области ионно-звуковой турбулентности на высотах внешней ионосферы в области низких частот базируются на механизме генерации НЧ шумов типа аврорального шипения при нелинейной трансформации ионно-звуковых волн. Основную роль в данном процессе играет слияние двух продольных ионно-звуковых волн с образованием поперечной электромагнитной волны, Б + Б' 1:. При этом должны выполняться условия пространственно-временного синхронизма:

ю5(к) + а5(к') = ю(ф

-> -V '

к+к' = я

где со(ц) - частота излучаемой НЧ волны, q - её волновой вектор. Слияние двух ионно-звуковых волн, распространяющихся в противоположных направлениях, требует достаточно высокого темпа изотропизации ионного звука, определяемого выражением уе ~ \л/5с»ре /ПеТе(Д9)2, где 9 - угол между волновым вектором и направлением геомагнитного поля. Анализ (15) показывает, что полная изотропизация ионно-звуковых волн происходит за время < 10'2с, откуда следует, что в области ионно-звуковой турбулентности на высотах внешней ионосферы возможна генерация НЧ шумов типа вистлера.

Интенсивность НЧ шумов (вистлеров) можно оценить в рамках теории слабой турбулентности при изотропном спектре ионно-звуковой турбулентности:

2 5

Ы2 СП ,

-т, (16)

со4(Я)

41 ^ К2

8л пепцс2 ,.ч4/

где т = /ц «/ц qz/2cй(q) - время излучения вистлера. При размере области генерации ионного звука /., > 100км и значениях параметров верхней ионосферы

шре «6-106сч, Те « 0,2эВ, -1/170, о)ре ~ (2 + 3)ове получаем оценку

амплитуды излучения вистлера 5ВЧ » 3 ■ 1 (Г2нТл, которая соответствует потоку энергии порядка м' . Соответствующая спектральная плотность излуче-

ния для частот НЧ диапазона / = ш(р)/271~103 -г104 Гц имеет значение (10~13 -г10~14)Вт м"2-Гц'1, что близко к наблюдаемым значениям интенсивности НЧ шумов. Оценим влияние предложенного механизма генерации НЧ шумов на работоспособность функционирующих в НЧ диапазоне РСДН Лоран-С и Чайка, задействованных в качестве наземных станций передачи поправок к сигналам ССН в российско-европейской региональной дифференциальной подсистеме (ДПС) Еигойх, которую планируется использовать в навигационном обеспечении ВС ГА в европейской части РФ. При мощности передатчика РНС Лоран-С ~103 кВт, /юл = 100 кГц и длительности импульса ~10"4 с спектральная плотность на максимальной дальности действия ДПС -1000 км не превышает 10"13 Вт'М"2 -Гц'1. Это означает, что НЧ шумы типа вистлера (как аддитивная помеха) способны нарушать функционирование ДПС Еигойх.

Навигационные аспекты существования ионно-звуковой турбулентности в области высоких частот базируются на механизме комбинационного рассеяния сигналов НС на ионно-звуковых колебаниях, генерируемых в области неизотер-мичности в высокоширотной ионосфере. Хорошо известно, что при распространении электромагнитной волны в турбулентной плазме происходит ее эффективное затухание из-за нелинейного взаимодействия с плазменными шумами. Для электромагнитной волны с частотой (о ~ кс > юРе) и случая незамагничен-ной плазмы (соре > сов) данный процесс описывается уравнением:

где

2 со (2тг) ПТ„ „х2

+(к->-к|. (18)

Здесь е,. - вектор поляризации радиоволны, £5С(о,к)- диэлектрическая проницаемость плазмы для электромагнитных волн, Ег - напряженность электрического поля радиоволны, соре- плазменная частота электронов. Первое слагаемое в (18) описывает затухание радиоволны за счет столкновений на заряженных частицах ионосферной плазмы, второе слагаемое определяет вклад процесса трансформации поперечной радиоволны в продольные ионно-звуковые волны и третье слагаемое описывает комбинационное рассеяние радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях.

Можно показать, что второе слагаемое в (18) на высотах Ь~300 км мало по сравнению с затуханием за счет столкновений. Оценим вклад комбинационного рассеяния, используя условия пространственно - временного синхронизма

<<о(к) + о,(Я,) = <а'(к') к+^=к'

из которых следует, что для случая об-■ * ->

ратного рассеяния к' = -к справедливо

соотношение: ^|<2к = 2со/С и радиоволны диапазонов 1_1 и 1_2 могут рассеиваться ионно-звуковыми колебаниями с Ч> 10"'см"1. Так как са5 <сор1, то максимум в распределении спектра Ц^) ионно-звуковых волн при Я<(юр1/и5)<1 попадает как раз на этот интервал волновых чисел, как показано на рис.7.

Опуская промежуточные выкладки, получим оценку эффективной частоты комбинационного рассеяния радиоволны диапазонов 1.1 и 1.2 на ионно-звуковых флуктуациях:

тсса„

, ад [к-олл=

2со У(2пУ ПТе

(к-Я)2

с-(к-д)2

■14 « Ч 5 ~ 8 ю ПТе

Для высот максимума Я-слоя ионосферы при максимальном значении спектра в режиме его насыщения легко получить оценку частоты рассеяния радиоволн диапазонов 1_1 и 1.2 (/ = а/2тся 109Гц) на фононах ионного звука: у"' и (102 -г104)с"', что сравнимо со значениями частот за счет столкновений: vei ~ (2-Ю2 101)с1 и уеп » 103с"1. Выше максимума Я-слоя эти частоты быстро уменьшаются, тогда как рассеяние на ионном звуке от высоты практически не зависит. Таким образом, в области существования ионно-звуковой турбулентности на высотах И~200^-500 км происходит изменение направления волнового вектора сигнала, излучаемого НС. Так как размеры фонона (20) много больше длин волн диапазонов 1.1 и 1-2, то рассеяние сигналов ССН происходит наиболее эффективно на большие углы.

Оценим величину затухания радиоволн диапазонов 11 и 12 при их комбинационном рассеянии на ионно-звуковых флуктуациях. Используя стандартное выражение для коэффициента затухания, получим:

где А£ - групповой путь пакета ионно-звуковых волн, который практически не зависит от параметров ионосферы. Значения Г >10, обеспечивающие значительное ослабление амплитуды сигнала радиоволны, достигаются уже при АН « (103 04)см , тогда как высотный размер области ионно-звуковой неустойчивости 1_ а 300 км = 3 ■ 107 см . Таким образом, в области развития ионно-звуковой турбулентности происходит нарушение функционирования ССН, следствием чего являются сбои в навигационном обеспечении ВС ГА, использующих одночастотные приемники ССН в качестве основного средства навигации.

В пятой главе диссертационной работы представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований применения одночастотных приемни-

(21)

ков GPS для навигационного обеспечения ВС ГА.

Воздействие среды на распространение сигналов НС принципиально неустранимо, однако его влияние на ошибки позиционирования ССН может быть учтено и в той или иной степени скорректировано применением более точных моделей среды (особенно ионосферных), либо более тщательным изучением механизмов воздействия ОКП на распространение сигналов диапазонов L1 и L2.

Принцип работы CCI! дает возможность корректировки её погрешностей, исходя из анализа параметров сигналов НС, прошедших ионосферу. Отсюда следует возможность создания методики определения ионосферной погрешности ССН. Очевидно, что решение этой задачи имеет практическую важность не только для навигационного обеспечения ВС ГА в части измерения текущих координат, направления и скорости перемещения ВС, но и для авиационных систем радиосвязи и радиолокации, использующих ионосферные радиоканалы.

Существующие методики определения ионосферной погрешности ССН используют в качестве аппаратного обеспечения двухчастотное ПО. В данной главе разработана методика определения ионосферных погрешностей ССН с применением одночастотного ПО. Уточним, что речь идет о погрешностях, обусловленных нерегулярными процессами в ОКП, так как регулярные вариации погрешностей хорошо изучены. Сформулируем требования к данной методике:

1. Возможность реализации высокого (~ 1 сек.) разрешения по времени при получении и обработке данных;

2. Возможность мобильного и оперативного изменения геометрии измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;

3. Обеспечение необходимой точности определения ионосферной погрешности;

4. Существенное снижение стоимости измерительных пунктов в сравнении с использованием двухчастотного ПО.

Основной функцией ПО является обработка его программным обеспечением первичных данных (псевдодальности и фазы несущей), содержащихся в сигналах НС. Первичные данные содержатся в RINEX-файлах, доступных для компьютерной обработки. Для определения координат ПО решает навигационную

задачу, используя значения псевдодальностей (или фазы несущей) из наблюдательных RINEX-файлов и эфемериды НС из навигационных RINEX-файлов. С радиофизической точки зрения фаза несущей (точнее - набег фазы) есть фазовый путь сигнала с точностью до аддитивной константы, а псевдодальность -групповой путь сигнала, с учетом сдвига часов ПО относительно временной шкалы НС. Отсюда ясно, что в «очищенных» от сдвига часов первичных данных присутствует ионосферная и тропосферная погрешности. Ионосферная погрешность пропорциональна ПЭС вдоль траектории распространения сигнала, однако далее будет использоваться её нормировка в единицах длины, соответствующей разнице между «очищенной» от сдвига часов ПО псевдодалыюстью и реальной геометрической (истинной) дальностью.

С целью отработки методик измерений на территории Иркутского филиала МГТУ ГА были организованы два наблюдательных пункта с вынесенными на крыши учебных корпусов специализированными антеннами, для которых была официально выполнена независимая от ССН геодезическая привязка. В соответствии с отчетом, представленным ООО «Землеустроитель», гарантированная точность координат пунктов в системе СК-42 составляет 0.1 метра. Для преобразования этих координат в систему WGS-84, в которой работает ССН GPS, использовалась специально разработанная программа. В качестве аппаратного обеспечения были выбраны приемники GARMIN GPS MAP 295, адаптированный для использования в качестве бортового оборудования ВС малой авиации и более дешевый GARMIN GPS V. Программное обеспечение осуществлялось комплексом ASYNC/ GAR2RNX, состоящим из двух частей: программы ASYNC _1_23.EXE, которая в режиме реального времени считывает с приемника временной ход различных параметров и сохраняет их в бинарном файле и программы GAR2RNX_l_48.exe, которая в режиме постобработки генерирует из бинарного файла RINEX-файл, содержащий ежесекундные отсчеты псевдодальности и фазы несущей с точностью до постоянного слагаемого. Навигационная задача решалась как с помощью программы MathCAD, так и стандартного пакета MATHEMATICA 5.

Считая псевдодальность групповым Lg, а набег фазы, умноженный на длину волны - фазовым 1_ф путем сигнала НС, определим их выражениями:

'•"Ш- 4mdL <п>

Здесь АВ - траектория распространения сигнала от приемника до спутника, n(f) - показатель преломления среды в текущей точке траектории, для которого в плазменной среде на высоких частотах можно использовать выражение:

п{1) = ^\-ш;{1)/тг. (23)

Учитывая, что рабочая частота ю в ССН на два порядка превышает максимальную плазменную частоту шрмах в ионосфере, (22) можно представить в виде:

Lg=L0+AL, L#=L0-AL. (24)

в

Здесь L0 = Jd^ - геометрический путь сигнала, a AL- малая поправка к нему,

4,

равная ионосферной погрешности (тропосферную погрешность считаем малой). Из (24) следует вывод о том, что из данных «идеального приемника», определяющего Lg и 1_ф, можно установить истинное расстояние между приемником и

спутником L0 = (Lg + Lф)/2 и ионосферную погрешность AL = (Lg — )/2.

Как показали эксперименты, для реального одночастотного ПО измерения разности вариаций фазового пути и нсевдодальности малопродуктивны, так как они содержат интенсивный аппаратный шум, маскирующий истинные вариации, связанные с ионосферной погрешностью. Кроме того, вариации Lg и

измеряются на фоне очень сильного регулярного тренда, связанного с уходом часов приемника относительно системного времени GPS. Поэтому для определения ионосферной погрешности были использованы измерения относительного фазового пути, так как разность фаз сигналов от двух НС, принятых одним приемником, сдвига часов приемника уже не содержит. Для НС с номером к фазовый путь Fk можно представить в виде:

Fk=Rk-Ik+Sk+Ck, (25)

где Rk - истинное расстояние до НС, 1к - ионосферная погрешность, пропорциональная наклонному ПЭС вдоль траектории радиолуча, бк - тропосферная погрешность, которая на данном этапе исследований не учитывается, Ск - постоянная для данного сеанса измерений константа.

Измеряя разность фазовых путей для спутников к и j, и зная истинные расстояния до них, можно найти величину:

*w = Rk-RJ-F*+Fj+c- <26>

причем С можно определить из начального условия Ikj(t = 0) = 0. В текущий момент времени t величина Ikj = Ik представляет собой наклонную разностную ионосферную погрешность (РИП) для двух НС с номерами к и j.

Исходя из величины общей погрешности ССН, возможны наблюдения РИП в десятки метров в период с восхода до захода Солнца и существенно меньшие значения в ночные часы. Во временном ходе РИП можно ожидать сильный регулярный тренд, обусловленный регулярными вариациями ПЭС и на его фоне более слабые короткопериодические флуктуации.

Основной вклад в РИП дает область высот максимума слоя F2 ионосферы, h«300 км, поэтому величину РИП следует привязывать к так называемой по-дионосферной точке, которую определим как проекцию на поверхность Земли точки пересечения траекторией радиолуча "НС-ПО" высоты h=300 км. Поскольку в реальных условиях пара подионосферных точек для видимых НС может быть разнесена на дальность до 1000 км, то они могут находиться в существенно разных условиях относительно величины вертикального ПЭС. Особенно ярко это проявляется на восходе и заходе Солнца. Вопрос, к какой подионо-сферной точке относятся вариации РИП, не имеет особого значения, так как нас интересуют их спектры безотносительно того, в какой точке они появляются.

Эксперименты по определению ионосферных погрешностей ССН проводились в период с 2006г. по 2008г. в г.Иркутске с использованием одночастотного ПО GARMIN GPS MAP 295 и GARMIN GPS V. Истинное расстояние до НС Rk определялось в процессе пост-обработки из лазерных измерений координат НС

по данным международной службы лазерных дальномерных измерений.

На рис. 8 представлен временной ход РИП, содержащий в себе регулярный тренд, типичный для большей части наблюдений. Виден характерный временной ход в ожидаемых числовых значениях и без явно выраженных флуктуаций.

1(2-4)

- гот

- Ют 1

153 т ¡п

Рис.8. Временной ход разностной ионосферной погрешности без возмущений для пары НС №2-№4 (17.30h-20.00 1.Т, 21.12.06г.).

Подобная картина наблюдается не всегда. Событие, показанное на рис.9, имело место для измерений с участием НС №2-№13. Отчетливо видно уединенное возмущение РИП длительностью около 5 минут и величиной около 2 метров. Важным является то, что аналогичная ситуация проявляется только в измерениях с участием НС №13. Для иллюстрации на рис.10 приведен временной ход РИП для НС №4-№13.

1(2-13)

- Ют (

и ----_ ___ 150 тт

- -Ют

Рис.9. Временной ход разностной ионосферной погрешности для НС №2-№13 с уединенным возмущением (17.30^-20.00 1.Т, 21.12.0бг.).

с уединенным возмущением (17.30-^20.00 1_Т, 21.12.06г.).

Таким образом, представленная методика позволяет с уверенностью определять вариации ионосферной погрешности ССН размером в единицы метро», обусловленные уединенными возмущениями ПЭС.

Рассмотрим возможность определения с помощью представленной методики короткопериодических возмущений ПЭС. На рис.11а приведен временной ход РИП для НС №6-№29 со слабыми флуктуациями на фоне регулярного тренда. Для выделения флуктуаций была проведена процедура линейного сглаживания по пяти точкам. Удаление тренда выполнялось путем вычитания из исходных данных сглаженных. В результате получены флуктуации РИП «в чистом виде», которые показаны на рис.116. Видно, что флуктуации РИП имеют явно выраженную периодическую структуру с периодом ~20 мин., что согласуется со спектром гравитационных волн в ионосфере, обнаруженных экспериментально.

Для доказательства того, что представленные выше результаты не являются следствием аппаратных сбоев ПО, были проведены синхронные измерения РИП

Рис. 11. Временной ход РИП для НС №6-№29 с короткопериодическими флуктуациями (07.30+09.40 LT, 29.04.07г.): а - до удаления тренда; б - после удаления тренда.

на однотипных приемниках GARMIN GPS V в двух разнесенных на 4 километр пунктах с геодезическими координатами:

Пункт № 1: ф = 52°16'32.8", X = 104°17'22.2", h = 460.603 м; Пункт№2:<р = 52°15'25.8", Д. = 104°2Г22Л\ Ь = 503.182м. Эксперимент проводился 4.04.08г. в период 18.30+21.16 LT. После получе ния значений РИП (каждые 30 сек.) с удаленным регулярным трендом (рис.12б) был выполнен расчет коэффициента корреляции (рис.13) РИП в пунктах №1 i №2 и произведено преобразование Фурье РИП на различных временны

а

- г

б

ртрезках для получения их спектра, представленного на рис.14.

1,га - 20т 5-14 Пункт №. 1 Пункт №2 t мин

120

Рис.12а. Синхронизированные по времени измерения РИП, выполненные в пунктах №1,: для НС №5-№14 без удаления тренда (18.30*21.16 1_Т, 4.04.08г.).

_ 25да Пункг№1 5-14

~25т I Пункт №2 * МИН

1 2

Рис.126. Синхронизированные по времени измерения флуктуаций РИП. выполненные в пунктах №1,2 для НС №5-№14 после удаления тренда (18.30*21.16 1.Т, 4.04.08г.).

Коэффициент коррелятом

АЧХ с»1 гнала

-120 -60 О 60 1 20 t, сек

Рис.13. Коэффициент корреляции РИП для пунктов №1,2 и НС №5 - №14 (18.30*21.16 LT, 4.04.08г.). Рис.14. Результаты Фурье-анализа флуктуацион-ной части РИП для двух интервалов (1 и 2) сеанса 18.30*21.16 LT, 4.04.08г.в пункте №2.

F, мГц

Р, «Гц

Результаты показывают, что:

1. Измеренные в ходе экспериментов величины являются ионосферными погрешностями, а не следствием аппаратных сбоев ПО;

2. Процессы, контролирующие ПЭС в подионосферных точках, соответствующих координатам пунктов №1 и №2, синфазны с коэффициентом кор-

реляции, близким к единице, следовательно, имеет место горизонтальное перемещение флуктуации ПЭС со скоростью не менее 500 км/ч;

3. АЧХ сигнала имеет основную гармонику с частотой ~4 мГц, что согласуется с временным ходом коэффициента корреляции и означает наличие в ионосфере ранее неизвестных низкочастотных периодических процессов.

Таким образом, представленная методика определения ионосферной погрешности ССН позволяет с высокой точностью и малыми финансовыми затратами производить мониторинг навигационного поля ССН, что ведет к повышению эффективности навигационного обеспечения ВС в одночастотном режиме.

Далее в пятой главе проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН одночастотными приемниками GPS, имитирующее их размещение на борту ВС с использованием уже апробированного аппаратно-программного обеспечения и метода разнесенного приема.

Очевидно, что степень коррелированности атмосферных погрешностей для приёмников А и Б будет уменьшаться с ростом расстояния между фазовыми центрами их антенн. В то же время при малых расстояниях между приемниками имеется взаимное влияние антенн. Отсюда следует, что для практической навигации представляет интерес определение оптимального (с точки зрения качества приема) пространственного разноса антенн двух навигационных приёмников.

В ходе первого эксперимента синхронно измерялся уровень сигнала от видимых НС тремя приемниками GARMIN GPS-V. Приёмники №1-№2 устанавливались на расстоянии 5Х, приёмники №1-№3 - на расстоянии 50)., где X «19.8см - длина волны сигнала в диапазоне LI. В процессе пост-обработки результатов измерений с помощью программного комплекса ASYNC/GAR2RNX генерировались RINEX-файлы, из которых извлекалась информация о качестве приема сигнала по десятибалльной шкале градации уровня сигнала. Время проведения сеанса - 03.04.07, в 15.00 LT, длительность сеанса - 10 минут. Результаты эксперимента (процент принятых сигналов НС за время измерений) приведены в таблице №1.

Таблица №1

Расстояние между приемниками - 5Х

Номер спутника Сб а ею С16 в18 С21 С24 в26 а! С29

Приёмник №1 83,6 96,6 100 83,3 100 100 100 99,6 74,4 91,3 100 3,5

Приёмник №2 66,3 87,7 100 87 100 100 100 99,6 78,3 87,8 100 0

Расстояние между приемниками - 5 0Х

Номер спутника в2 С6 а й8 ио 616 С18 в21 в24 в26 С27 С29

Приёмник №1 100 100 100 93,3 100 98,8 70,7 100 100 100 71,7 100

Приёмник №3 100 100 100 19,3 100 97,5 98,8 100 100 100 77,3 100

Устойчивый приём (100% принятых сигналов НС за время измерений) дос-игался от 5...8 НС рабочего созвездия, при этом порог приёма сигнала опреде-шлся на уровне пяти по десятибалльной шкале. Коэффициент корреляции для фиемников №1-№2 (^2=5/.) составил К12=0.98, для приемников №1-№3 Я13=50Х) - Кп=0.22, откуда следует вывод о некоррелированности атмосферной огрешности ССН при значительном разнесении антенн приёмников.

С целью определения расстояния между антеннами приемников, при огором принятые от НС сигналы можно считать некоррелированными, 14.07.07 10.00 1_Т был проведен второй эксперимент, в котором два одночастотных риемника вАЯМП^ СРХ-У последовательно устанавливались на расстоянии 1+7)\ (через IX), 10Х, 50/. и 100л. Устойчивый приём достигался от 6...8 НС ра-очего созвездия.

На рис.15 представлен коэф-ициент парной корреляции уров-1Я сигнала на антеннах приемни-ов. Максимальное значение 12=0.97-н0.99 наблюдается при 12=(5-т-6)А.. В диапазоне расстояний 12=(1-г5)А. сильная корреляция Кп=0.75-г0.83) связана с взаимным лиянием антенн. При расстоянии свыше 10А. К12<0.25, откуда следует вывод о «зависимости вносимых атмосферой Земли погрешностей в этом случае.

и IX ЪХ АХ 5Я 6А IX ЮХ 50Х 100Х Рис.15. Коэффициент парной корреляции.

Информация, заключенная в МЫЕХ-файлах, позволяет определить вариации радиальной скорости НС относительно приемников. На рис.16 приведены усреднённые по всем спутникам, находящимся в зоне приёма сигнала, относительные ошибки (в %) их радиальной скорости. Видно, что относительные ошибки при расстоянии 5А. не превышают 0,5%, для всех других - более 1%. Эти

ш 2 -

го ^

1 1.5 3

« И

20.5 -)

-•»-2 Л

—»—за,

-и-4 Я —5 Я 6 Я -о- 7 Я

10

1 2 3 4 5 6 7 8 Время в минутах

Рис.16. Относительная ошибка радиальной скорости НС. результаты согласуются с теоретическими оценками погрешности измерения

радиальной скорости. Действительно, при генерации информации в ЯШЕХ-

файле с частотой 1 Гц, погрешность определения V,, есть:

ИЗМ1 ^ЮМ2

)

V - Л" --к" Г' (27)

"к у^изм! "■измг)

где КИЗМ12 - псевдодальности, измеренные приемниками №1,2. При известных ошибках измерения псевдодальности погрешность определения V,, не превышает 2%. Относительная ошибка, представленная на рис.16, рассчитывалась как (у„, - \42)/\/к1, и для К 12=51 (коррелированные погрешности) не превышает 1 %.

В Приложениях приведены параметры ОКП, правые части моделирующих уравнений, описывающих систему «ионосфера-плазмосфера», функциональные множители, используемые при описании взаимодействия НЧ волн с ОКП, листинги программ прямого и обратного преобразования координат из декартовой системы в систему \лК35-84, из системы СК-42 в систему №65-84.

- Заключении говорится, что цель диссертационной работы достигнута, а проеденные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. В качестве инструмента компенсации ионосферных погрешностей ССН разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера» на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП;

2. На основе разработанной модели системы «ионосфера-плазмосфера» проведены расчеты возмущений ПЭС на средних и высоких широтах, выявлена их роль в навигационном обеспечении ВС ГА;

3. Выявлены новые механизмы раскачки НЧ волн в OKII с интенсивностью, которая может привести к сбоям навигационного обеспечения ВС ГА при использовании европейско-российской ДПС Eurofix;

4. Исследован процесс комбинационного рассеяния сигналов спутниковых радионавигационных систем в высокоширотной ионосфере. Показано, что данный процесс приводит к сбоям в навигационном обеспечении ВС ГА, использующих одночастотные приемники ССН в качестве основного средства навигации;

5. Разработана и апробирована методика применения одночастотного ПО для определения ионосферных погрешностей ССН GPS. Получено экспериментальное подтверждение существования нерегулярных вариаций ПЭС, влияющих на качество навигационного обеспечения ВС ГА. Обнаружено новое свойство ионосферы - наличие в ней крупномасштабных периодических вариаций ПЭС с частотами 3 + 5 миллигерц;

6. По результатам экспериментального исследования, включающего синхронные измерения уровня сигналов ССН несколькими одночастотными приемниками, определено расстояние между антеннами приемников на борту ВС, позволяющее минимизировать погрешности определения координат ВС.

Публикации по теме диссертации

Статьи в научных журналах, рекомендованных ВАК Минобрнауки РФ для

публикации основных научных результатов диссертаций на соискание ученой

степени доктора наук:

1. Горбачев O.A. Разлет и релаксация электронов в ионосфере при вспышке ионизирующего излучения.//Геомагнетизм и аэрономия, 1993, №2.

2. Горбачев O.A., Трухан A.A. Ионно-звуковая неустойчивость ионосферной плазмы, сопряженная с кольцевым током Земли. // Геомагнетизм и аэрономия, 1995, т.35, №4.

3. Трухан A.A., Горбачёв O.A. Механизм ионнозвуковой неустойчивости во внешней авроральной ионосфере. //Геомагнетизм и аэрономия, 1997, №1.

4. Горбачев O.A., Трухан A.A. Особенности спектра некогерентного рассеяния радиоволн от внешней авроральной ионосферы. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №61, 2003.

5. Горбачев O.A., Трухан A.A. Неустойчивость потока вторичных электронов над авроральной ионосферой как источник ОНЧ радиоизлучения. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №62,2004.

6. Горбачев O.A., Трухан A.A. Ионнозвуковая турбулентность ионосферы как источник ОНЧ радиоизлучения типа аврорального шипения. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №62, 2004.

7. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одно-частотных приемников GPS для диагностики ионосферы.// Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №107,2006.

8. Горбачев O.A., Трухан A.A. Поглощение коротких радиоволн в авроральной ионосфере.// Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.

9. Горбачев O.A. Влияние высокоширотной ионосферы на рассеяние сигналов СРНС. // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.

10. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одно-

частотных приемников GPS для диагностики ионосферы (часть II). // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №117, 2007.

1. Горбачев O.A., Голованов И.Г., Кобылкин Ю.И., Мишин С.В. К вопросу о повышении безопасности полетов при использовании индикации на лобовом стекле воздушного судна. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Авио-ника и электротехника, №115,2007.

12. Горбачёв O.A., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. О применении двух одночастотных приёмников GPS для воздушных судов гражданской авиации. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №126, 2008.

13. Горбачёв O.A., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. К вопросу о размещении одночастотных приёмников GPS на воздушных судах гражданской авиации. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника, №126, 2008.

14. Горбачёв O.A. Вариации полного электронного содержания, обусловленные продольными токами в высокоширотной ионосфере. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Навигация и УВД, №136, 2008.

15. Горбачёв O.A. Вариации полного электронного содержания с учетом влияния на систему «ионосфера-плазмосфера» магнитосферного кольцевого тока. // Научный вестник МГТУ ГА, серия Навигация и УВД, №136,2008.

Статьи и работы в иных журналах и изданиях:

16. Konikov Yu.V., Gorbachev O.A., Khazanov G.V. Hydrodynamics equation for thermal electrons taking into account their scattering on the ion-cyclotron waves in the plasmasphere. // Planet.Space Sei., 1989, v.37, №10.

17. Gorbachev O.A., Konikov Y.V. Khazanov G.V. Allowance for thermal flux variation in the model of ionosphere-plasmasphere interactions//Planet.Space Sei., 1991,v.39,№6.

18. Gorbachev O.A., Gamayunov K.V., Khazanov G.V. A theoretical model for the ring current interactions with the Earths plasmasphere. //Planet.Space Sei., 1992, v.40, №6.

19. Горбачев O.A., Трухан A.A. Вопросы надежности работы радионавигационных систем при наличии естественных источников ОНЧ-излучения око-

лоземной плазмы. XIII Научная конференция ученых ИрГТУ. Тез. докл. -Иркутск, 2004, с. 113.

20. Скрыпник О.Н., Горбачев O.A. Радионавигационные системы. - М.: МГ'ГУ ГА, 2004, 70 с.

21. Горбачев O.A., Кобылкин Ю.И., Куйбарь В.И. Авиационное радиоэлектронное оборудование JIA. - М.: МГТУ ГА, 2005,77 с.

22. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностике ионосферы с использованием одночастотных приемников GPS. Труды БИ1ФФ. Секция «Физика околоземного пространства». - Иркутск, 2006, с. 159-163.

23. Горбачев O.A., Ерохин В.В., Пипченко И.П., Скрыпник О.Н. Радиотехнические системы ближней навигации и посадки. - М: МГТУ ГА, 2006,184с.

24. Горбачев O.A., Назаренко Е.В. Системы связи гражданской авиации. - М.: МГТУ ГА, 2006,157 с.

25. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностике ионосферы с использованием одночастотных приемников GPS II. Труды БШФФ. Секция «Физика околоземного пространства». - Иркутск, 2007, с.102-105.

26. Горбачев O.A., Нечаев Е.Е. Диагностика среды распространения сигналов GPS одночастотными приемниками. Труды 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо. - Севастополь, 2008, с.886-887.

27. Горбачев O.A. Диагностика среды распространения сигналов GPS одночастотными приемниками. Труды Международной научно-технической конференции: «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». - М:, МГТУ ГА, 2008, с.169.

Введение.

Глава 1. Анализ проблемы навигационного обеспечения воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА) при использовании спутниковых систем навигации (ССН) GPS и ГЛОНАСС.

1.1. Требования к навигационному обеспечению ВС в условиях реализации концепции ICAO CNS/ATM.

1.2. Анализ современного состояния ССН NAVSTAR GPS и ГЛОНАСС.

1.3. Погрешности ССН, вносимые средой на трассе распространения сигналов и методы их определения.

1.4. Особенности построения бортовой навигационной аппаратуры ССН GPS и ГЛОНАСС.

1.5. Основные результаты главы 1.

Глава 2. Влияние околоземного космического пространства на функционирование ССН.

2.1. Околоземное космическое пространство - среда распространения сигналов ССН.

2.2. Ионосфера как основной источник погрешностей ССН.

2.3. Анализ дисперсионных характеристик ионосферы в низкочастотной и высокочастотной частях спектра.

2.4. Распространение высокочастотных сигналов в околоземном космическом пространстве.

2.5. Взаимодействие «волна-частица» в ионосфере как фактор, влияющий на погрешности ССН.

2.6. Основные результаты главы 2.

Глава 3. Навигационное обеспечение ВС ГА в условиях возмущенной по полному электронному содержанию ионосферы.

3.1. Модель ионосферы как инструмент уменьшения ионосферных погрешностей ССН.

3.2. Навигационное обеспечение ВС в среднеширотной ионосфере.

3.3. Навигационное обеспечение ВС в высокоширотной ионосфере.

3.4. Навигационное обеспечение ВС в субавроральной ионосфере.

3.5. Основные результаты главы 3.

Глава 4. Навигационное обеспечение ВС ГА в условиях возмущенной по волновой активности ионосферы.

4.1 Механизм возникновения неустойчивости потока вторичных электронов над авроральной ионосферой.

4.2. Навигационные эффекты неустойчивости потока вторичных электронов над авроральной ионосферой в области низких частот.

4.3. Навигационные эффекты ионно-звуковой турбулентности в области низких частот.

4.4. Навигационные эффекты ионно-звуковой турбулентности в ) области высоких частот.

4.5. Основные результаты главы 4.

Глава 5. Результаты экспериментальных исследований влияния возмущенной ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА.

5.1. Анализ проблемы определения ионосферных погрешностей в

ССН GPS.

5.2. Теоретическое обоснование возможности определения ионосферных погрешностей ССН с помощью одночастотных приемников GP S.

5.3. Аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS.

5.4. Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS.

5.5. Применение предложенной методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS для навигационного обеспечения

ВС ГА и диагностики ионосферы.

5.6. Анализ проблемы многолучевого распространения сигналов ССН как источника ошибок позиционирования в навигационном обеспечении ВС ГА.

5.7. Экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками GPS для ВС ГА

5.8. Основные результаты главы 5.

Формулировка проблемы и её актуальность.

Структура воздушного пространства Российской Федерации включает в себя 542 воздушные трассы, в том числе 295 международных. Их общая протяженность составляет 394 тыс. км. Ежегодно в России выполняется более 590 тыс. полетов воздушных судов (ВС). На долю воздушного транспорта в общем объеме перевозок всеми видами транспорта приходится более трети всего пассажирооборота и существенная часть грузоперевозок [1]. В этих условиях особую роль приобретает проблема обеспечения регулярности и безопасности полетов (БП). Данная проблема имеет комплексный характер и представляет собой такое состояние авиационно-транспортной системы, при котором вероятность возникновения аварийных ситуаций сведена к- установленному минимуму [2]. Обеспечение безопасности,полетов включает в себя множество составляющих [3]) одно из. важнейших- мест среди которых занимает организация» и надежность функционирования системы УВД. Как- известно; система* УВД является-достаточно сложной, многоуровневой системой,' в! которую входит широкий комплекс технических средств- [4, 5]. Источниками информации для системы УВД" в настоящее время служат первичные и вторичные радиолокаторы, автоматические радиопеленгаторы, радиотехнические системы ближней и дальней навигации, средства связи и другое радиотехническое оборудование.

Любой сбой в работе системы УВД потенциально может привести к-авиационному происшествию, или катастрофе. Анализ авиационных происшествий показывает, что наиболее распространенными их причинами является нарушение правил эшелонирования и потеря экипажем ориентации в пространстве при заходе на посадку [6].

Очевидно, что обе причины связаны с недостаточной- эффективностью навигационного обеспечения ВС, которое в настоящее время в основном обеспечивается традиционными средствами навигации, большинство из которых являются радионавигационными системами (РНС).

Традиционные РНС представляют собой совокупность взаимосвязанных бортовых и наземных, радиотехнических средств, основанных на определенном физическом принципе действия, предназначенных для из' > мерения-навигационных параметров при совместной работе бортового и наземного оборудования [7].

Базовым принципом функционирования традиционных РНС является использование функциональной зависимости параметров радиосигнала (амплитуды, фазы, частоты и времени распространения вдоль радиотрассы)^ для« определения значений навигационных параметров: (дальности, скорости-, направления на источник излучения и др.). В этом смысле традиционные РИС относятся кхистемам извлечения' информации, источником которой^является изменение параметров сигнала при его распространении вдоль линии; связи (внешняя; модуляция) в результате: изменения-протяженности, орие! гтации радиолиний в пространстве, взаимного перемещения передатчика и приемника и т.д. [8].

Основной' проблемой, возникающей; при использовании традиционных РНС, является, в отличие от радиосвязных систем, не столько увеличение количествашередаваемой по-радиоканалу информации; сколько повышение помехоустойчивости этого- радиоканала и точности выделения навигационной-информации [8, 9]. Кроме того, большинство современных традиционных РНС используют для передачи навигационной информации УКВ-радиоканалы, что. существенно ограничивает дальность их действия. Попытка использования в качестве носителя навигационной информации низкочастотные радиоволны наталкивается на проблемы их сильного затухания; при распространении на большие-расстояния и ограничения количества переносимой волной информации [7].

Согласно концепции ICAO CNS/ATM, в ближайшем будущем навигационное обеспечение ВС будет построено на базе спутниковых систем навигации (ССН)[ 10, 11].

ССН имеет ряд преимуществ перед традиционными РНС [12, 13]:

- глобальность действия, которая следует из самой структуры системы;

- высокая точность позиционирования и независимость от внешних условий, которые обеспечивается характеристиками сигнала, применяемого для передачи навигационной информации;

- неограниченная пропускная способность, вытекающая из принципа действия системы;

- возможность реализации дифференциального режима с использованием базовых элементов системы.

Однако в настоящее время, в связи с началом > внедрения в систему УВД некоторых элементов концепции ICAO CNS/ATM, значительно ужесточились требования к качеству навигационного обеспечения ВС [14], что приводит к необходимости повышения целостности, надежности и точности позиционирования ССН.

Принцип работы ССН основан на передаче кодированных радиосигналов от навигационного спутника (НС) к пользовательскому оборудованию (ПО), работающему в пассивном режиме. Источник- навигационной информации здесь заключен в самом сигнале. Это априори подразумевает наличие погрешностей позиционирования, вызванных отличными от традиционных РНС причинами. Рассмотрим их подробнее.

Погрешности позиционирования ССН можно отнести к трем типам:

1. Погрешности, генерируемые навигационными спутниками;

2. Погрешности, генерируемые пользовательским оборудованием;

3. Погрешности, генерируемые средой распространения сигнала.

Погрешности 3-го типа включают в себя ионосферную и тропосферную рефракцию и изменение траектории сигнала вследствие многолучевого распространения. Точность определения координат в ССН также зависит от так называемой спутниковой геометрии, которая характеризуется фактором PDOP (Position Dilution Of Precision) или HDOP (Horizontal Dilution Of Precision). Суть этого фактора в том, что геометрические соотношения, которыми характеризуется расположение НС в пространстве, оказывают влияние на степень неопределенности при решении основной навигационной задачи. Практическое значение PDOP состоит в том, что с ростом его величины увеличиваются погрешности измерения координат.

Количественные значения вышеперечисленных погрешностей определения координат в технически исправной ССН определяются условиями распространения навигационного сигнала, которые, в свою очередь, зависят от сезона, времени суток, метеоусловий, уровня геомагнитной и солнечной активности. Однако многочисленные исследования показывают, что при любых условиях основной вклад в ошибки позиционирования ССН дают ионосфера и тропосфера (см. например [15] и цитируемую там литературу): При этом установлена прямая зависимость между величиной ошибки позиционирования 3-го типа и полным электронным содержанием (ПЭС), представляющим собой количество электронов в радиальном относительно поверхности Земли столбе единичного сечения [15].

Для примера на Рис. 1 по данным, выложенным на официальном сайте GPS -[16], показано влияние различных факторов на точность определения координат в ССН GPS.

Следует отметить, что на этапе разработки ССН считалось, что влиянием среды, в которой происходит распространение их сигналов, можно пренебречь вследствие высокой частоты применяемой для передачи сигнала радиоволны, так как в этом случае показатель преломления среды близок к единице, а траектория распространения сигнала практически совпадает с прямой, соединяющей НС и ПО. В период первоначальной эксплуатации ССН, погрешности, вносимые средой, не имели определяющего влияния на точность позиционирования' вследствие превалирования над ними ошибок 1-го и 2-го типов. Однако в настоящее время значительно ужесточились требования определенных групп потребителей навигационной информации к качеству навигационного обеспечения. Кроме того, ряд технических и вычислительных решений позволил значительно снизить влияние на качество навигационного обеспечения ошибок 1-го и 2-го типов. Все это привело к тому, что на сегодняшний день среда распространения сигналов НС вносит основной вклад в ошибки позиционирования ССН, причем, в силу природного характера данного типа ошибок, уменьшить их техническими средствами невозможно.

Анализ данных, приведенных на Рис.1 показывает, что основной вклад в ошибки, обусловленные средой распространения сигналов ССН, вносит ионосфера. Погрешности, связанные с тропосферой, имеют гораздо меньшую величину, во-первых, вследствие малости высотной протяженности тропосферы (10-^12 км) по сравнению с ионосферой (-500 км), а во-вторых, вследствие возможности их значительного уменьшения посредством использования модели стандартной тропосферы. Кроме того,

Процентное соотношение между ошибками различных типов в ССН GPS

100 h

Рис. 1. Влияние различных факторов на величину ошибки позиционирования в ССН GPS. для большинства задач воздушной навигации, тропосферная погрешность лежит в пределах требуемой точности местоопределения [14].

Итак, ионосфера, дает основной вклад в величину ошибок позиционирования ССН. При этом необходимо заметить, что ионосфера большую часть времени находится в возмущенном состоянии, что приводит, к увеличению погрешностей ССН. Кроме того, в настоящее время установлено, что ионосфера является^единственной причиной (нетехнического характера) сбоев в работе ССН, что также особенно явно проявляется во время ионосферных возмущений.

Следует заметить, что в двухчастотном ПО проблема компенсации ионосферных погрешностей решена с достаточной точностью [12,13]. Однако- в силу ряда причин экономического и-технического-характера, навигационное обеспечение ВС ГА построено на использовании в качестве! стандартного оборудования одночастотного ПО [10], для которого- проблема компенсацию ионосферных погрешностей, в силу вышесказанного •. весьма актуальна:.

Таким образом;, возникает актуальная научная проблема повышения эффективности, навигационного обеспечения- воздушных судов; гражданской авиации путем уменьшения ионосферных погрешностей ССН:

Цель и задачи исследования.

Целью работы является повышение эффективности навигационного обеспечения ВС гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы при; использованииш качестве основного средства навигации одночас-тотных приемников ССН. Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

- провести анализ требований к навигационному обеспечению ВС гражданской авиации в условиях реализации концепции 1С АО CNS/ATM, предполагающей в качестве основы подсистемы, навигации глобальные ССН;

- провести анализ погрешностей ССН, обусловленных средой распространения сигналов НС, дисперсионных характеристик ОКП в низко- и высокочастотной областях спектра и сравнительный анализ моделей ионосферы относительно точности представления ионосферных параметров и возможности использования в программном обеспечении одночастотного ПО;

- исследовать процесс взаимодействия низкочастотных (НЧ) волн с ОКП с целью расчета вклада данного типа взаимодействия* в ионосферные погрешности ССН;

- разработать модель системы «ионосфера-плазмосфера» на основе численного решения системы гидродинамических уравнений, в которой учтены процессы взаимодействия НЧ волн с ОКП, с целью её использования в качестве инструмента уменьшения ионосферных погрешностей ССН; в рамках модели определить влияние возмущенной по концентрации ионосферы,на навигационное обеспечение ВС ГА в средних и высоких широтах;

- на основе модели определить влияние на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности ионосферы в высоких широтах;

- разработать физико-математическое и аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО; разработать и экспериментально апробировать методику определения ионосферных погрешностей ССН GPS; в рамках представленной методики провести экспериментальное исследование влияния нерегулярных вариаций ионосферных параметров на точность позиционирования» ССН, изучить возможные воздействия ионосферных возмущений на работу ССН с целью повышения качества навигационного обеспечения ВС ГА;

- провести экспериментальное исследование качества разнесенного приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками, имитирующее их размещение на борту ВС.

Методы исследования.

При решении перечисленных задач в работе были использованы теоретические и эмпирические методы исследования ионосферы и ОКП, прикладные методы функционального анализа, методы матричного исчисления, численные методы, методы математического моделирования, пакеты прикладных математических и навигационных программ, а также экспериментальные исследования с помощью навигационного оборудования стандартного и специализированного назначения.

Научная новизна работы.

Научная новизна работы состоит в том, что в ней впервые разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера», учитывающая процессы взаимодействия «волна-частица» в ОКП, с возможностью интегрирования в программное обеспечение одночастотного ПО. На основе модели определено влияние возмущенной по концентрации и волновой активности ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА в средних, высоких и субавроральных широтах. Предложена методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS с применением одночастотного ПО, с помощью которой изучено влияние нерегулярных возмущений ионосферы на навигационное обеспечение ВС ГА. Проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками с выработкой рекомендаций по оптимальному расположению их антенн относительно друг друга на борту ВС.

В диссертации получены следующие основные научные результаты:

1. Определены последствия регулярных возмущений ПЭС на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА с использованием расчетов суточных вариаций ПЭС на средних и высоких широтах в условиях спокойной и возмущенной ионосферы;

2. Показана возможность появления сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА в высокоширотной ионосфере из-за наличия в ней области аномального рассеяния сигналов ССН;

3. Показано, что в авроральной ионосфере имеются регулярные источники НЧ излучения, существенно влияющие на навигационное обеспечение ВС ГА вследствие потери работоспособности РНС НЧ диапазона, входящих в состав региональной дифференциальной подсистемы Eurofix;

4. На основе разработанной методики определения ионосферных погрешностей ССН экспериментально подтверждено существование ранее теоретически предсказанных нерегулярных возмущений ПЭС, обнаружено фундаментальное свойство ионосферы — наличие в ней крупномасштабных периодических возмущений ПЭС с частотами 3 -г- 5 миллигерц;

5. Определены последствия нерегулярных возмущений ионосферы на функционирование ССН как основного средства навигации ВС ГА;

6. На основе экспериментальных исследований определено оптимальное расстояние между антеннами размещенных на борту ВС одно-частотных приёмников, позволяющее повысить эффективность приема сигналов ССН.

На защиту выносятся:

1. Результаты численного моделирования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по ПЭС ионосферы на средних и высоких широтах;

2. Результаты теоретического исследования воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА возмущенной по волновой активности высокоширотной и субавроральной ионосферы;

3. Методика определения ионосферных погрешностей ССН GPS, основанная на измерении разности фазовых путей навигационных сигналов от двух НС и её физико-математическое обеспечение;

4. Результаты экспериментальных исследований воздействия на навигационное обеспечение ВС ГА нерегулярных вариаций ПЭС, полученных на основе методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS;

5. Методика эксперимента и результаты экспериментальных исследований качества приема сигналов НС двумя одночастотными приемниками GPS с имитацией размещения их антенн на борту ВС.

Научная и практическая значимость работы состоит в том, что полученные в ней результаты позволяют:

- влиять на точность и надежность навигационного обеспечения ВС ГА на трассах, проходящих в высоких и субавроральных широтах, путем прогноза вариаций ионосферных погрешностей, а также сбоев в работе ССН, в зависимости от уровня возмущенности ионосферы;

- обеспечить требуемый уровень безопасности полетов путем повышения точности определения местоположения и скорости ВС при использовании одночастотных приемников ССН в качестве бортового оборудования;

- определять ионосферные погрешности ССН с помощью одночастотных приемников с небольшими финансовыми затратами, высоким временным и пространственным разрешением, а также возможностью мобильно и оперативно изменять геометрию измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;

- определить оптимальное с точки зрения качества приема навигационных сигналов расстояние между антеннами устанавливаемых на ВС ГА одночастотных приёмников GPS.

Внедрение результатов.

Основные результаты диссертационной работы внедрены в МГТУ ГА, ОАО Московское КБ "Компас", ИГУ, ИрГУПС, что подтверждено соответствующими актами.

Достоверность результатов основана на использовании общепринятых достижений физики околоземного космического пространства, применении апробированных программных продуктов, корректности методов математического моделирования на ПЭВМ, согласованностью экспериментальных результатов, полученных в ходе исследований на серийно выпускаемых навигационных приемниках, с результатами других авторов.

Апробация результатов.

Результаты выполненных исследований докладывались на:

- V Международном симпозиуме КАПГ, г. Мурманск, 1989г. [17];

- X Международном семинаре по моделированию ионосферы, г. Казань, 1990г. [18];

- XIII Научной конференции ученых ИрГТУ, г. Иркутск, 2004г. [19];

- Секции «Физика околоземного пространства» Байкальской школы фундаментальной физики, г. Иркутск, 2006-2007гг. [20,21];

- 18-й Международной научно-технической конференции КрымиКо, г. Севастополь, 2008г. [22];

- Международной научно-технической конференции «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества», посвященной 85-летию Гражданской авиации России, г. Москва, МГТУГА, 2008г. [23];

- ежегодных научно-технических семинарах кафедры Авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА в 2003 - 2008 гг.;

- ежегодных научных семинарах кафедры радиофизики физического факультета ИГУ в 2005 - 2008 гг.;

- научно-техническом семинаре кафедры УВД факультета авиационных систем и комплексов МГТУ ГА в 2008г.

Публикация результатов.

Основные результаты диссертации представлены в 27 научно-технических статьях [24-50], опубликованных в российских и зарубежных научных журналах. Структура и объем работы.

Диссертация состоит из введения, 5 глав, заключения, списка использованных источников и 4 приложений. Основная часть диссертации содержит 291 страниц текста, 82 рисунка, 15 таблиц, 4 листинга программ и библиографию из 247 наименований. Общий объем работы 324 страницы.

5.8i Основные результаты главы 5.

I. Проведен анализ проблемы определения погрешностей ССН GPS, который»показал, что главным источником ошибок системы при определении координат в одночастотном, режиме является среда распространения сигналов. При этом основной вклад в ошибки позиционирования вносит ионосфера из-за двух факторов:

1. низкая точность эмпирической модели ионосферы Клобучара, интегрированной в систему обработки данных одночастотного GPS-приемника;

2. наличие в ионосфере нерегулярных вариаций ионосферных параметров, в основном обусловленных воздействием на нее различных физических процессов, происходящих в околоземном космическом пространстве.

II. Проведено теоретическое обоснование возможности определения ионосферных погрешностей ССН с помощью одночастотных GPS-приемников.

III. Определено аппаратно-программное и разработано физико математическое обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН одночастотными GPS-приемниками.

IV. Разработана и экспериментально апробирована методика применения одночастотных приемников GPS для определения ионосферных погрешностей ССН с целью повышения качества навигационного обеспечения ВС гражданской авиации, основанная на определении наклонной ионосферной погрешности посредством измерения разности фазовых путей навигационных сигналов от двух спутников. Представленная, методика позволяет:

1. реализовать.высокое-временное разрешение при получении'и обработке первичных навигационных-данных-вплоть до максимально возможной — 1 сек.; 2: мобильно и оперативно изменять геометрию измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;

3. реализовать регулярные измерения ионосферных погрешностей ССН с высокой пространственной плотностью измерительных пунктов вследствие их низкой стоимости в сравнении с использованием двухчастотной аппаратуры;

4. обеспечивать точность определения ионосферных погрешностей ССН, позволяющую применять одночастотные приёмники для навигационного обеспечения ВС ГА вплоть до категорийной посадки;

V. В рамках представленной методики- проведено экспериментальное исследование нерегулярных вариаций ионосферных параметров, влияющих на точность позиционирования ССН. Получены следующие результаты:

1. обнаружены уединенные возмущения электронной концентрации (солитоны), связанные с развитием короткопериодических флук-туаций электронной концентрации в ионосфере, рассмотренных в главе 3 настоящей диссертации;

2. обнаружено аномальное поведение ионосферной погрешности ССН в виде ступенчатого возмущения электронной концентрации, обусловленного развитием внезапного ионосферного возмущения на пути распространения сигнала от навигационного спутника;

3. обнаружены тонкие эффекты проявлений нерегулярных процессов в ионосфере — низкочастотные-волновые пакеты, предсказанные-более 25 лет назад и периодические флуктуации электронной концентрации, имеющие характер долгоживущих низкочастотных-волновых полей со спектром, аналогичным спектру внутренних гравитационных волн в ионосфере, предсказанных почти полвека назад.

4. показано, что скорость горизонтального перемещения, крупномасштабных ионосферных неоднородностей, контролирующих короткопериодические флуктуации полного электронного содержания (ПЭС), существенно меньше 100 м/с;

5. обнаружено фундаментальное свойство ионосферы — наличие в ней крупномасштабных периодических процессов с частотами 3 4- 5 миллигерц.

VI. Показано, что предлагаемая методика позволяет решать практические задачи навигации путем определения ионосферных погрешностей > спутниковых навигационных систем, являющихся в рамках концепции ICAO CNS/ATM основой навигационного обеспечения ВС ГА.

VII. Проанализировано влияние метеорологических условий в тропосфере и многолучевости на уровень сигнала навигационного спутника. Показано, что для борьбы с этими погрешностями наиболее эффективен прием сигнала на разнесенные антенны.

VIII. Проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов GPS двумя одночастотными приемниками, имитирующее их размещение на борту ВС. Показано, что необходимо устанавливать антенны приёмников GPS на расстояние, равное 5-И> длин волн сигналов ССН в диапазоне L1, чтобы исключить взаимовлияние антенн и считать коррелированными погрешности измерений, связанные с прохождением радиоволн через атмосферу Земли. Сделан вывод о возможности уменьшения погрешности определения координат ВС при приёме навигационных сигналов на два одночастотных приёмника GPS с разнесёнными антеннами, использующих сигналы стандартной точности в диапазоне L1.

Заключение

Полученные в диссертационной работе результаты в целом решают задачу повышения эффективности навигационного обеспечения ВС, а, следовательно, и повышения уровня безопасности полётов, в части исследования методов определения ионосферных погрешностей ССН при использовании одночастотного ПО в качестве основного навигационного средства на борту ВС.

Основные теоретические и практические результаты диссертации заключаются в следующем:

1. Проведен анализ требований к навигационному обеспечению ВС гражданской авиации в условиях возрастающей интенсивности полетов в рамках концепции ICAO CNS/ATM, предполагающей в качестве основы подсистемы навигации глобальные ССН;

2. Проведен анализ погрешностей ССН, вносимых средой распространения сигналов НС;

3. Проведен анализ дисперсионных характеристик ОКП в низкочастотной и высокочастотной областях спектра;

4. Проведен анализ ионосферных моделей относительно точности представления ионосферных параметров и возможности их использования в программном обеспечении одночастотного ПО;

5. Исследован процесс взаимодействия НЧ волн с тепловой плазмой ОКП, рассчитаны вклады от данного типа взаимодействия в величину погрешностей позиционирования ССН;

6. В качестве инструмента компенсации ионосферных погрешностей ССН разработана модель системы «ионосфера-плазмосфера» на основе численного решения системы гидродинамических уравнений в рамках 13-ти моментного приближения Грэда, в которой учтены процессы взаимодействия низкочастотных волн с тепловой плазмой ОКП;

7. На основе разработанной модели системы «ионосфера-плазмосфера» спрогнозировано появление возмущений электронной концентрации в среднеширотной и высокоширотной ионосфере, проведены расчеты соответствующих возмущений ПЭС, оценено влияние данных возмущений на качество навигационного обеспечения ВС;

8. Выявлены новые механизмы генерации НЧ волн в ОКП. Показано, что данные механизмы приводят к раскачке НЧ волн типа вистлера и сосера, интенсивность которых может привести к сбоям в навигационном обеспечении ВС при использовании глобальных РНС «Лоран-С» и «Чайка» в качестве наземных станций передачи поправок к сигналам ССН в российско-европейской региональной дифференциальной подсистеме (ДПС) Eurofix, которую' планируется использовать в навигационном обеспечении ВС ГА в европейской части» РФ;

9. На основе разработанной модели системы «ионосфера-плазмосфера» исследован процесс комбинационного рассеяния сигналов спутниковых радионавигационных систем в области ионно-звуковой турбулентности, существующей в диапазоне высот 20(Ь-500 км в высокоширотной ионосфере. Показано, что данный процесс приводит к сбоям в навигационном обеспечении ВС ГА России, использующих одночастотные приемники ССН в качестве основного средства навигации;

10.Разработано физико-математическое обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с помощью одно-частотного ПО;

11.Определено аппаратно-программное обеспечение методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с помощью одно-частотного ПО;

12.Предложена методика применения одночастотного ПО для определения ионосферных погрешностей ССН GPS, основанная на определении наклонной ионосферной поправки посредством измерения разности фазовых путей навигационных сигналов от двух НС;

13.В ходе экспериментальной апробации методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с помощью одночастотного ПО получено экспериментальное подтверждение существования нерегулярных вариаций ПЭС, влияющих на качество навигационного обеспечения ВС ГА;

14.На основе методики определения ионосферных погрешностей ССН GPS с помощью одночастотного ПО обнаружено фундаментальное свойство ионосферы — наличие в ней крупномасштабных периодических процессов с частотами 3 -г 5 миллигерц и определен их вклад в ионосферные погрешности ССН;

15.По результатам экспериментального исследования качества приема сигналов ССН двумя одночастотными приемниками с имитацией размещения их антенн на борту ВС определено оптимальное расстояние между антеннами приемников. Сделан вывод о возможности уменьшения погрешности определения координат ВС . при приёме навигационных сигналов на два одночастотных приёмника GPS с разнесёнными антеннами.

На основании вышеперечисленных результатов сформулированы соответствующие выводы, которые приведены в конце каждого раздела диссертационной работы.

1. Постановление Правительства Российской Федерации № 368 от 20.04.95г., Федеральная программа модернизации Единой системы организации воздушного движения Российской Федерации на период до 2005 года.

2. Сакач Р.В., Зубков Б.В., Давиденко М.Д. и др., Безопасность полётов, М., Транспорт, 1989, 239с.

3. Елисов JI.H., Баранов В.В. Управление и сертификация в авиационной транспортной системе, М., Воздушный транспорт,' 1999, 352с.

4. Лукьяненко В.И. Техническая эксплуатация радиоэлектронного оборудования аэропортов, М., МГТУГА, 2003, 156с.

5. Анодина Т.Г. и др. Автоматизированные системы- УВД. — М.: Транспорт, 1992, 279 с.

6. Указание МГА № 156 от 12.08.81г., О предельных отклонениях самолёта при посадке на B11L1, М., МГА, 1с.

7. Скрыпник О.Н., Горбачев О.А. Радионавигационные системы. — М.: МГТУ ГА, 2004, 70 с.

8. Горбачев О.А., Ерохин В.В., Пипченко И.П., Скрыпник О.Н. Радиотехнические системы ближней навигации и посадки. — М: МГТУГА, 2006, 184с.

9. Горбачев О.А., Назаренко Е.В. Системы связи гражданской авиации. М.: МГТУ ГА, 2006, 157 с.

10. Крыжанский Г.А. Концепция и системы CNS/ATM в гражданской авиации. М.: ИКЦ Академкнига, 2003, 415 с.

11. Логвин А.И., Соломенцев В.В. Спутниковые системы навигации и управления воздушным движением. М.: МГТУ ГА, 2005.

12. Соловьев Ю.А. Спутниковая навигация и её приложения. — М.: Эко-Трендз, 2003.

13. Яценков B.C. Основы спутниковой навигации. Системы GPS NAVSTAR и ГЛОНАСС. М.: Горячая линия - Телеком, 2005.