автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Уменьшение погрешности навигационных измерений в одночастотной аппаратуре потребителя систем Глонасс и GPS за счет учета влияния ионосферы

На правах рукописи

Казанцев Михаил Юрьевич

УМЕНЬШЕНИЕ ПОГРЕШНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В ОДНОЧАСТОТНОЙ АППАРАТУРЕ ПОТРЕБИТЕЛЯ СИСТЕМ ГЛОНАСС И GPS ЗА СЧЕТ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ИОНОСФЕРЫ

05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Красноярск - 2003

Работа выполнена на кафедре «Радиотехника» Красноярского государственного технического университета (КГТУ)

Научный руководитель: кандидат технических наук, Кокорин В.И.

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор Панько С.П. кандидат технических наук, Толстяков А.С.

Ведущая организация: Научно-производственное объединение прикладной механики имени академика М.Ф. Решетнева, г. Железногорск

Защита состоится « Щ » 2004 г. в_часов на заседании

диссертационного совета Д 212.098.02 при Красноярском государственном техническом университете по адресу: 660074, г. Красноярск, ул. Киренского, 26, ауд. Б-418.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ЕГТУ.

Автореферат разослан 2004 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.098.02

кандидат технических наук, доцент

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность. Эффективность современной навигационной аппаратуры потребителя (НАЛ) глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS определяется точностью определения координат и времени.

Точность определения координат и времени зависит от точности измерения псевдодальностей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS. Погрешность измерения псевдодальностей обусловлена множеством факторов, наиболее весомыми из них являются погрешности эфемеридно-временного обеспечения, задержка сигнала в ионосфере и тропосфере, многолучевое распространение сигнала. Для одночастотной НАЛ ГЛОНАСС и GPS наибольшим источником погрешности измерения псевдодальностей является задержка сигнала в ионосфере, которая обусловлена интегральной электронной концентрацией (ИЭК) вдоль пути распространения сигнала. В данном типе аппаратуры отсутствует возможность использования сигналов на двух когерентных частотах для исключения ионосферной погрешности измерений.

Таким образом, существует проблема определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере, решение которой, позволит повысить точность определения координат и времени в одночастотной НАЛ. Кроме того, возможность определения задержки сигнала в ионосфере создает предпосылки к созданию на базе одночастотной НАЛ системы мониторинга состояния ионосферы. Актуальность уменьшения погрешности определения координат и времени в одночастотной НАЛ обусловлена прежде всего тем, что в настоящее время, подавляющее большинство эксплуатируемой НАЛ работает только по сигналам на одной частоте. В рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система», срок реализации которой рассчитал на период с 2002 по 2011 г., предусмотрена разработка одночастотной НАЛ гражданского назначения. Реализация данной программы должна обеспечить повышение точности и оперативности координатно-временных определений широкого круга потребителей (погрешность определения координат - 5 метров, времени — не более 10 наносекунд).

Решение поставленной проблемы не исчерпывается созданием одночас-тотного метода определения задержки сигнала в ионосфере. Необходимо изучить влияние задержки сигнала в ионосфере на погрешность определения координат и времени, поскольку данный вопрос остается неисследованным на протяжении всего срока проектирования и эксплуатации систем ГЛОНАСС и GPS.

Существуетдва подхода к определению задержки сигнала в ионосфере в одночастотной НАЛ.

Первым способом является коррекция псевдодальностей с помощью параметров модели ионосферы, передаваемых в навигационном сообщении НКА GPS. Примените модели ионосферы, используемой в системе GPS, позволяет уменьшить, только на 50% влияние ионосферы на среднеквадратическую погрешность (СКП) определения координат Следует отметить что в системе ГЛОНАСС не предусмотрена какая-либо

носферы для одночастотной НАЛ.

Вторым и наиболее перспективным подходом является использование свойств принимаемых сигналов, где определение задержки сигнала в ионосфере основано на применении равенства по величине и противоположности по знаку фазового и группового запаздывания в ионосфере сигналов систем ГЛОНАСС и GPS. При этом, существующие методы, разработанные на основе данного подхода, имеют один общий существенный недостаток - необходимость в дополнительном определении начальных неоднозначностей фазовых измерений. Данная проблема существенным образом усложняет реализацию и снижает эффективность работы такого метода, чем и объясняется ограниченное применение его на практике.

Анализ публикаций, выявил отсутствие работ в которых исследованы функциональные зависимости между задержкой сигнала в ионосфере и погрешностями определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

Целью работы является разработка метода определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере, который позволит повысить точность определения координат и времени в одночастотной НАЛ, при этом необходимо исследовать функциональные зависимости между задержкой сигнала в ионосфере и погрешностями определения координат и времени. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования:

1. Теоретическое и экспериментальное исследование ионосферной составляющей погрешностей определения координат и времени.

2. Разработка одночастотного метода определения задержки сигнала систем -ГЛОНАСС и GPS в ионосфере по разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала навигационных космических аппаратов (НКА).

3. Экспериментальное исследование разработанного одночастотного метода определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере по разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и по, фазе несущей частоты сигнала НКА.

Методы исследования. В диссертационной работе, для решения поставленных задач использовались аппарат теории линейной фильтрации, математический анализ, теория чувствительности, оптимизации, экспериментальные методы, методы вычислительного моделирования.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аналитические выражения, связывающие погрешности определения высоты и времени по сигналам ГЛОНАСС и GPS с задержкой сигнала в ионосфере.

2. В результате теоретических и экспериментальных исследований установлено, что наибольшая часть (90%) ионосферной составляющей погрешности определения высоты и времени зависит только от интегральной электронной концентрации в вертикальном столбе ионосферы, остальная часть (10%) зависит в равной степени от интегральной электронной концентрации в ионосфере и от геометрии расположения наблюдаемого созвездия НКА относительно НАЛ.

3. Одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере, основанный на применении разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномериому коду и фазе несущей частоты сигнала НКА, который позволяет уменьшить среднеквадратическую погрешность определения задержки сигнала в ионосфере в 2.7 раза и в 1.5 раза уменьшить математическое ожидание погрешности определения высоты по сравнению с моделью ионосферы, используемой в системе GPS.

Научная новизна результатов работы заключается в следующем:

• Впервые получены аналитические выражения, которые описывают влияние ионосферы на погрешности определения координат и времени по сигналам НКА глобальных спутниковых навигационных систем. Полученные зависимости позволяют уменьшить вклад ионосферы в погрешность определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

• Разработан метод одночастотного определения задержки сигнала в ионосфере, основанный на применении разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и фазе несущей частоты сигнала НКА.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Полученные зависимости погрешностей определения высоты и времени от задержки сигнала НКА в ионосфере дают возможность определить и уменьшить вклад ионосферы в погрешность определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

Разработанный одночастотной метод, защищенный патентом РФ №2208809, позволил уменьшить в 2.7 раза СКП определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере и в 1.5 раза уменьшить мат. ожидание погрешности определения высоты, по сравнению со стандартной моделью ионосферы, применяемой в системе GPS. Разработанный одночастотный метод может быть реализован в НАЛ ГЛОНАСС и GPS, работающей на подвижных и неподвижных объектах, в аппаратуре частотно-временной синхронизации, работающей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, а также при создании мобильных и стационарных станций мониторинга ионосферы.

Результаты, полученные в диссертации, позволили повысить точность определения координат и времени в одночастотной НАП ГЛОНАСС и GPS, которая разрабатывается в НИИ Радиотехники (НИИРТ) КГТУ совместно с ФГУП НПП «Радиосвязь» (г. Красноярск). Результаты исследований использованы в НИОКР, проводимых в НИИРТ КГТУ:

• НИОКР «Разработка аппаратно-программного комплекса для обеспечения топопривязки, ориентирования и синхронизации элементов РЛК 55Ж6М», заказчик - Нижегородский НИИРТ.

• ОКР «Разработка навигационного канала спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС-НАВСТАР», заказчик - ОАО «НПО Алмаз».

• ОКР «Разработка и изготовление беззапросных измерительных станций (БИС) в интересах эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) и обеспечения целостности космической навигационной системы ГЛОНАСС-М», заказчик —

Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева.

Разработанный одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере применялся для обработки данных, полученных в ходе высокоширотной экспедиции (ВШЭ) СО РАН в 2002 г. по изучению влияния ионосферы па работу систем ГЛОНАСС и GPS.

Достоверность научных и практических результатов, полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованием результатов теоретических расчетов, математического моделирования и экспериментальных исследований, проведенных с помощью НАП ГЛОНАСС и GPS. Достоверность разработанного одночастотного метода определения задержки сигнала в ионосфере подтверждается информацией об ИЭК в ионосфере, полученной на основе измерений, обработашшх в аналитических центрах международной службы International GPS Service, которая постоянно проводит мониторинг состояния ионосферы.

Апробация работы. Результаты исследований докладывались и обсуждались на Международной научно-технической конференции «Спутниковые системы связи и навигации» в г. Красноярске (1997 г.); Всероссийских научно-технических конференциях молодых ученых и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» в г. Красноярске (1998, 1999, 2001 г.г.); Международной научно-технической конференции «DORIS Days» в г. Тулузе (Франция) (2000 г.); IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых специалистов «Решетневские чтения» в г. Красноярске (2000 г.); Международной научно-практической конференции САКС-2001 в г. Красноярске (2001 г.); Региональной научно-технической школе-семинаре студентов, аспирантов, молодых ученых «Современные проблемы радиотехники (СПР-2001)» в г. Новосибирске (2001 г.); IX, X Санкт-Петербургских международных конференциях по интегрированным навигационным системам (2002, 2003 г.); Всероссийской научной конференции «Физика радиоволн» в г. Томске (2002 г.); Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию гражданской авиации России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества» в г. Москве (2003 г.).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 16 печатных работах, в том числе 1 статья в рецензируемом журнале, 7 статей в научных сборниках, 7 тезисов докладов, 1 патент РФ на изобретение.

Структура диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех глав основного текста и двух приложений. Объем работы составляет 124 страницы основного текста, список использованных источников из 113 наименований, в том числе 16 работ автора (13 в соавторстве).

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Первая глава посвящена анализу влияния ионосферы на сигналы систем ГЛОНАСС и GPS.

В системах ГЛОНАСС и GPS применяется псевдодалыюмерный способ измерения дальности до НКА. Псевдодальности измеряются по дальномерному коду сигнала НКА, а так же по фазе несущей частоты сигнала НКА. Псевдо-далыюсть, измеренная по далыюмерному коду в момент дискретного времени к (к = 0,1,2,...), определяется выражением

(l.i)

где rt(k) - псевдодальность, измеренная по далыюмерному коду НКА; р,{к) дальность до НКА; It{k) - задержка сигнала НКА в ионосфере, выраженная в единицах дальности; Т,(к) - задержка сигнала НКА в тропосфере, выраженная в единицах дальности; С - скорость распространения радиоволн в вакууме; т(к) расхождение шкалы времени НАЛ относительно шкалы времени систем ГЛОНАСС или GPS; s,{k) - систематическая погрешность по каждому НКА, в состав которой входят погрешности определения эфемерид НКА, рассогласование шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС или GPS и т.д.; - случайная погрешность измерений по дальномерному

коду; - порядковый номер НКА, - число наблюдаемых НКА.

Псевдодальность, измеренная по фазе несущей частоты сигнала НКА определяется выражением

где - псевдодальность, измеренная по фазе несущей частоты сигнала

НКА; Л, - длина волны сигнала; N, - начальная неоднозначность фазовых измерений; - случайная погрешность фазовых измерений. Начальная неоднозначность фазовых измерений является целочисленной величиной и определяет расстояние между НАЛ и НКА в момент захвата сигнала НКА, выраженное числом длин волн сигнала несущей частоты. Начальная неоднозначность фазовых измерений является постояшюй величиной от момента захвата сигнала НКА до срыва слежепия за фазой сигнала НКА.

В современной НАЛ ГЛОНАСС и GPS при измерении псевдодальности по дальномерному коду НКА, для уменьшения случайной составляющей погрешности, используется измеренное значение приращения фазы сигнала несущей частоты НКА. В результате, случайную составляющую погрешности измерения псевдодалыюсти по дальномерному коду удается уменьшить до величины, сопоставимой с погрешностью фазовых измерений. При этом остаются более низкочастотные погрешности, величина которых составляет а( = 0.1 ч-0.2 м. На интервале наблюдения 1с, обеспечивается значение случайной составляющей погрешности измерения псевдодалыюсти по фазе несущей частоты сигнала НКА, равной

Ионосфера является наибольшим источником систематической погрешности измерения псевдодальностей. Систематические погрешности измерения псевдодальностей по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА, вызванные влиянием ионосферы, равны, имеют разный знак и определяются выражением

7 =

(1.3)

Г I " Г

где 1, - ионосферная погрешность измерения псевдодальности по дальномер-ному коду НКА; 1р - ионосферная погрешность измерения псевдодальности по фазе несущей частоты сигнала НКА; .А/,(5) - концентрация электронов в ионосфере; - радиус-вектор траектории сигнала в ионосфере; - интегральная электронная концентрация вдоль пути сигнала НКА.

Погрешности измерения псевдодальностей 1Г, 19 зависят от протяженности пути сигнала НКА в ионосфере. Длина пути сигнала в ионосфере будет зависеть от угла места НКА. Различают вертикальную задержку (угол места НКА у = 90°) и наклонную задержку (угол места НКА у < 90°).

Наиболее существенные свойства задержки сигнала в ионосфере — ее зависимость от угла места НКА и высоты слоя ионосферы отражает однослойная модель ионосферы (ОМИ). В ОМИ предполагается, что все электроны сосредоточены в тонком слое, расположенном на высоте й над поверхностью Земли. На основе представления ионосферы в виде однослойной модели, взаимосвязь погрешностей измерения псевдодальностей, обусловленных вертикальной и наклонной задержками сигнала в ионосфере, определяется следующим выражением

где 1,{к) - погрешность, обусловленная вертикальной задержкой сигнала в ионосфере; /(&) - погрешность, обусловленная наклонной задержкой сигнала НКА в ионосфере; - угол места НКА; - функция, применяемая

для пересчета вертикальной ионосферной задержки в наклонную, которая определяется как отношение погрешностей, вызванных наклонной и вертикальной задержками сигнала в ионосфере

где л® - радиус Земли; Н - высота слоя ионосферы. В зависимости от угла места НКА, значение функции будет изменяться в диапазоне от 1 до 4.

С помощью методов теории чувствительности исследованы погрешности ОМИ, обозначены границы ее применимости на практике. На рис. 1 представлена погрешность пересчета вертикальной задержки сигнала в ионосфере в наклонную, при вариации высоты слоя ионосферы, равной

Рнс 1. Погрешность функции ОЬ[у)

Ah = 100 км, относительно принятой высоты слоя ионосферы h = 432.5 км.

Вторая глава посвящена исследованию влияния ионосферы на погрешность определения координат по сигналам ГЛОНАСС и GPS.

В ходе решения навигационной задачи по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS определяются координаты, скорость объекта, на котором установлена НАЛ, а также расхождение шкалы времени НАЛ со шкалой времени ГЛОНАСС или GPS, что позволяет с высокой точностью определить время. Погрешность привязки шкал системного времени ГЛОНАСС и GPS, соответственно, к шкале UTC(SU) и к шкале UTC(USNO) не превышает 1 мкс. Функциональная зависимость между измеряемыми псевдодальностями и координатами определяется выражением

r((*)= ¡(xcl(k)-^)T+M)-y(k)f (2.1)

где Уа(к), za(k) - координаты НКА; x(k), у(к), z(Ar) - координаты НАЛ.

Традиционный метод анализа погрешностей координат и времени с помощью геометрического фактора, который используется в настоящее время при анализе погрешностей систем ГЛОНАСС и GPS, не позволяет определить ионосферные составляющие погрешностей определенны координат и времени. Это вызвано тем, что с помощью геометрического фактора можно описать лишь влияние центрированных и равноточных погрешностей измерений псевдодальностей на погрешность определения координат и времени, что не соответствует свойствам задержки сигнала в ионосфере.

Взаимосвязь погрешностей координат и времени, вызванная влиянием ионосферы и задержкой сигнала в ионосфере определяется следующим выражением, полученным путем линеаризации уравнения (2.1)

-cosylcosaiAx-sirtylA)/-cosytsma1Az+c2AT = Il = Ob(yt)lv(k), (2.2) где - ионосферные составляющие погрешностей определения ши-

роты, высоты и долготы, выраженные в единицах длины; - ионосферная составляющая погрешности определения расхождения шкалы времени НАЛ относительно шкалы времени систем ГЛОНАСС или GPS (ионосферная составляющая погрешности определения времени); - азимут НКА; - угол места НКА; - задержка сигнала в ионосфере, выраженная единицах длины. Поиск зависимости каждой составляющей погрешности координат и времени от ионосферной составляющей погрешности измерения псевдодальностей затруднен сложностью аналитического решения системы уравнений (2.2) при По-

этому исследование искомой зависимости осуществлялось с помощью вычислительного моделирования, которое было сделано на интервале времени 24 часа, при условии работы НАЛ по сигналам двух систем ГЛОНАСС и GPS.

Вычислительное моделирование было максимально приближено к реальным условиям функционирования НАЛ ГЛОНАСС и GPS. В качестве истинных координат, использовались координаты известной точки, расположенной в г. Красноярске. По данным альманахов и навигационного сообщения НКА систем ГЛОНАСС и GPS, которые были ранее записаны с помощью НАЛ МРК-23 с 25 по 26 апреля 2001 г., вычислены углы мест и азимуты НКА. Задержка сиг-

нала в ионосфере вычислялась с помощью стандартной модели ионосферы GPS, при этом использовались параметры модели ионосферы GPS, переданные в навигационном сообщении НКА GPS на 25-26 апреля 2001 г.

На рис. 2 приведены значения погрешностей определения координат и расхождения шкалы времени НАЛ вызванные ионосферой, а также вертикальная задержка сигнала в ионосфере. Время отсчитывается от 0 часов 25.04.2001г.

Хорошо наблюдаемые «всплески» ионосферных погрешностей определения координат и времени вызваны большими значениями геометрического фактора GDOP > 3. Плохая геометрия расположения НКА относительно НАП становиться преобладающей в погрешностях определения координат и времени.

15:59,25.04.01 -16:47,26.04.01

4415 17 19 21 23 25 27 29 31 33 35 37 39 41

время, ч

Рис. 2. Результаты моделирования: 1- Дх ; 2 - Дг; 3 - Ду; 4 - сДг; 5 - /„

В ходе вычислительного моделирования получены следующие статистические характеристики погрешностей, приведенные в таблице 1. ____Таблица 1.

Погрешность Среднеквадратическая, погрешность, м Коэффициент корреляции с вертикальной задержкой сигнала в ионосфере

широты Ах 0.39 -0.21

долготы Дz 0.19 0.29

высоты Ду 7.08 0.97

времени сДг 10.45 (34.83 не) 0.99

Полученные коэффициенты корреляции показывают, что вертикальная задержка сигнала в ионосфере и погрешность высоты, связаны детерминированной линейной зависимостью. Такая же зависимость наблюдается между расхождением шкалы времени НАЛ и вертикальной задержкой сигнала в ионо-

сфере. На рис. 3 представлены графики отношений — Ау//,, Яг =сАт/1у, где хорошо видно, что их величина близка к константе. Получены оценки математических ожиданий ЛЗГ[л,,} =1.85, Л?{ЛГ} = 2.73.

25 30 35 40 15 20 25 30 время, ч время, ч

а) б)

Рис. 3. a) Ry = Ду/7,; б)Rr= сАт/1,

На основании результатов вычислительного моделирования можно сделать вывод, что ионосфера влияет главным образом на погрешность определения высоты и времени, эта зависимость является линейной и ее можно представить в виде следующих выражений

Как показало вычислительное моделирование, полученные соотношения (2.3) и (2.4) остаются справедливыми при п > 4., вне зависимости от точки расположения НАЛ, геометрии расположения НКА относительно НАЛ и вертикальной задержки сигнала в ионосфере.

Теоретически обосновать полученные результаты можно следующим образом. Пусть в точке с известными координатами измеряется псевдодальность до НКА. Аналогичные измерения производятся в другой точке, расположенной выше первой на величину (рис. 4). Разность псевдодальностей измеренных в двух точках, в предположении, что сигналы НКА приходят из бесконечно удаленной точки равна

Разность измеренных псевдодальностей равна погрешности измерения псевдодальности, которая приводит к смещению оценки высоты на величину Ьу. Для смещения оценки расхождения шкалы времени НАП достаточно к псевдодальности добавить величину

сДг. Тогда, результирующая ионосферная погрешность измерения псевдодальности равна

Рис. 4. Влияние ионосферы на погрешность определения высоты

Согласно ОМИ, погрешность измерения псевдодальностей, вызванная влиянием ионосферы, определяется выражением

Необходимо найти зависимость погрешностей определения высоты и времени Ау и Дг от вертикальной задержки сигнала в ионосфере и угла места НКА. Для НАП, которая расположена на поверхности Земли углы мест наблюдаемых НКА изменяются в пределах от 0 до 90°. Выражения (2.5) и (2.6) описывают одну и ту же величину, при этом значение 1 — 1' должно стремиться к нулю для каждого угла места НКА. Необходимо найти параметры Ду и Дг так,

чтобы величина была минимальна для каждого возможного угла места

НКА

Вычислив, частные производные / по Ау и Дг, затем приравняв их к нулю и решив полученную систему уравнений, можно получить уравнения связывающие погрешности высоты и времени в зависимости от вертикальной задержки сигнала в ионосфере

сАт = 1.

— • агсл, а

1-я-2/8

АУ = 1,

л

Та

-агсйт I

(2.8)

(2.9)

где а = - полный эллиптический интеграл 1-го рода.

Если принять радиус Земли = 6371 км и высоту слоя ионосферы А = 4325км, то а = 0.94, по таблицам значений полных эллиптических инте-

, тогда погрешности определения

высоты и времени, вызванные влиянием ионосферы, будут определяться выражениями

Если сравнить полученные выражения (2.10), (2.11) и выражения (2.3), (2.4), то можно сделать вывод, что результаты теоретического исследования подтверждают результаты вычислительного моделирования, это можно проил-

люстрировать и с помощью приведенных на рис. 5 графиков погрешностей, полученных с помощью вычислительного моделирования и теоретического исследования.

27 29 время, ч

Рис. 5. 1 - сДг, полученная в ходе вычислительного моделирования; 2 - Ду, полученная в ходе вычислительного моделирования; 3 - сДг = 2.80-/,,; 4 -Ду = 1.91-7,

Исследования показали, что наибольшая часть (90%) ионосферной составляющей погрешности определения высоты и времени зависит только от вертикальной задержки сигнала в ионосфере (ИЭК в вертикальном столбе ионосферы), согласно уравнениям (2.10) и (2.11). Остальная часть (10%) ионосферной составляющей погрешности определения высоты и времени зависит в равной степени от задержки сигнала в ионосфере и от геометрии расположения наблюдаемого созвездия НКА относительно НАЛ.

Полученные зависимости позволяют пользователям одночастотной ПАП ГЛОНАСС и GPS уменьшить погрешность определения высоты и времени при решении навигационной задачи в постобработке. Зная величину вертикальной задержки сигнала в ионосфере, можно вычислить ионосферные составляющие погрешности высоты и времени по формулам (2.10) и (2.11), а затем скорректировать значения высоты и времени. Полученные формулы (2.10) и (2.11) позволяют определить погрешности высоты и отстройки шкалы времени НАП, вызванные влиянием ионосферы со СКП не превышающей 10%. Таким способом можно уменьшить погрешность определения высоты и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

В третьей главе рассматривается проблема определения задержки сигнала в ионосфере в одночастотной НАЛ ГЛОНАСС и GPS.

Анализ существующих методов определения задержки сигнала в ионосфере для одночастотной НАП показал, что наиболее перспективным является

подход на основе использования свойств принимаемого сигнала - равенства по величине и противоположности по знаку фазового и группового запаздывания в ионосфере сигналов систем ГЛОНАСС и GPS.

С учетом свойств ОМИ (1.4), а также используя разность приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА, получена следующая разностная система уравнений

где - приращение псевдодальности, измеренной по дальномерному коду

НКА; А<р;{к) - приращение псевдодальности, измеренной по фазе несущей частоты сигнала НКА; j = l,n(k), п(к) - число НКА, которые наблюдались в моменты времени к и к — \. Из системы уравнений (3.1) можно найти значение вертикальной задержки сигнала в ионосфере для НКА, что позволяет определять задержку сигнала в ионосфере для каждого НКА отдельно, с помощью выражения

Задача оценки задержки сигнала в ионосфере в реальном масштабе времени решается как задача фильтрации, с помощью многоканального фильтра Калмана, который ориентирован на задачи с изменяющимся во времени вектором измерений. Вектор измерений будет меняться при изменении числа наблюдаемых НКА. Оценка, в этом случае, получается путем одновременного весового суммирования обновляющих процессов всех каналов с использованием общего экстраполятора. Весовые коэффициенты обратно пропорциональны дисперсиям шумов измерения каждого из каналов. Исследования многоканального фильтра Калмана показали эффективность его применения для обработки измерений по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

Изменение вертикальной задержки сигнала в ионосфере на коротком промежутке времени (менее часа) описывается с помощью уравнения

/,(*+1)=/,(*)+Ц*),

где - случайная величина, описывающая возмущение процесса, распределенная по нормальному закону с мат. ожиданием A/{w(A:)} = 0 и дисперсией = ст*. Уравнение наблюдения можно записать в виде

где - погреш-

ность измерения разности приращений псевдодальностей, распределенная по нормальному закону с мат. ожиданием и дисперсией

Оценка вертикальной задержки сигнала в ионосфере с помощью многоканального фильтра Калмана определяется следующими выражениями

^ Начало ^

-1-1-

Вычисление разности приращений псевдодальностей

1-2-

где !г(к) - оценка вертикальной задержки сигнала НКА в ионосфере; afo)

коэффициент усиления фильтра Калмана; р'[к) - дисперсия ошибок фильтрации; р(к) - дисперсия ошибок экстраполяции. В качестве начального значения вертикальной задержки сигнала в ионосфере /,(0) используется оценка, полученная с помощью стандартной модели ионосферы, применяемая в системе GPS.

Алгоритм, реализующий разработанный метод, разбивается на два этапа

(рис. 6). Сначала, с помощью фильтра Калмана, оценивается вертикальная задержка сигнала, а затем с помощью выражения (1.4) вычисляется задержка сигнала для каждого НКА, с учетом его угла места.

В данном алгоритме предполагается, что вертикальная задержка сигнала в ионосфере будет одинакова во всей зоне видимости НКА. Результатом вычислений являются задержки сигналов в ионосфере всех наблюдаемых НКА на k-й момент времени. Полученные задержки сигналов НКА в ионосфере применяются для коррекции измеренных псевдодальностей.

Работа по приращениям псевдодальностей позволяет исключать аномальные измерения, а также позволяет фиксировать пропуски периодов приращения фазы, неизбежно возникающие в реальных измерениях. Если разность приращений псевдодальностей будет превышать заранее определенное пороговое значение, то измерения по этому НКА ис-Рис. 6. Блок-схема алгоритма ключаются из расчета.

Разработанный метод не требует разрешения или оценки фазовой неоднозначности. С точки зрения вычислительной сложности, предлагаемый метод значительно проще по сравнению с существующими методами, поскольку исключена необходимость в определении начальных фазовых неоднозначностей. При этом уменьшается число неизвестных переменных. Размерность вектора

Иослючепне аномальных измерений

гтЗ-

Фильтр Калмана

1-4-

Вычисление задержки сигнала в ионосфере для каждого НКА

^ Конец

оцениваемых параметров не меняется при изменении числа НКА в рабочем созвездии. Данный метод может быть реализован в одночастотной НАП, где производятся измерения по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА. Такому требованию отвечает большинство современной одночастотной НАП, работающей по сигналам ГЛОНАСС и GPS.

Полученные результаты можно обобщить и для двухчастотных измерений по фазе несущей частоты сигнала НКА //.ч» \

L

-1

где - несущие частоты сигнала на и - прираще-

ния псевдодальностей, измеренных по фазе несущей частоты сигнала НКА, соответственно, на L1 и L2. В этом методе используются двухчастотные измерения по фазе несущей частоты сигнала, погрешность которых на порядок меньше погрешностей измерений по дальномерному коду. В отличие от известных двухчастотных фазовых методов, здесь не требуется раскрывать начальные фазовые неоднозначности измерений, кроме того, разности задержек сигналов в радиотрактах НАЛ для L1 и L2 не будут влиять на оценку задержки сигнала в ионосфере.

В четвертой главе представлены результаты экспериментальных исследований разработанного одночастотного метода определения задержки сигнала в ионосфере, а также экспериментальных исследований влияния ионосферы на погрешность координат и времени.

, . Экспериментальные исследования проводились с помощью НАЛ разработанной в НИИРТ КГТУ совместно с ФГУП НПП «Радиосвязь». В экспериментальных исследованиях использовалась НАП серии МРК различных модификаций, работающая по сигналам ГЛОНАСС и GPS на частоте диапазона L1. НАП МРК способна производить одповремешю прием и обработку сигналов до 18 НКА ГЛОНАСС и GPS.

Для проверки точности разработанного метода привлекалась информация об ИЭК, полученная на основе двухчастотных измерений, обработанных в аналитических центрах международной службы International GPS Service (IGS). На протяжении ряда лет IGS проводит постоянный мониторинг состояния ионосферы. IGS представляет собой сеть станций наблюдения, оснащенных двух-частотной НАП, работающей по сигналам GPS. По данным IGS составляются карты пространственно-временного изменения интегральной электронной концентрации в вертикальном столбе ионосферы. Эту информацию в формате IONEX можно получить по электронному адресу

ftp://cddisa.nasa.gov/pub/gps/products/ionex/. Соответствие информации о состоянии ионосферы для г. Красноярска определяется тем, что в КГТУ расположена одна из станций IGS, оснащенная двухчастотной НАП GPS, что позволяет принять данные IGS в качестве эталонных измерений.

В течение 2001 г. была проведена серия экспериментов при различных геомагнитных условиях (возмущенная и спокойная ионосфера). В таблице 2

приведены дата проведения эксперимента, его продолжительность, геомагнитные условия, выраженные через Ар-индекс, СКП разработанного одночастот-ного метода <Г, и стандартной модели ионосферы, применяемой в GPS <т2, a также их соотношение.

Таблица 2.

Дата Время, ч Ар-индекс, нТ СКП одночастотного метода сг,, м СКП модели ионосферы GPS CTj.M £2. гг,

25.04.01 26 6 0.50 1.84 3.71

26.04.01 6

28.04.01 29 40 0.81 1.73 2.13

29.04.01 13

16.05.01 46 7 0.39 1.23 3.18

17.05.01 6

18.05.01 8

08.10.01 24 16 1.09 2.25 2.06

09.10.01 18

Усредненное значение по всем экспериментам 0.70 1.76 2.77

На графиках (рис. 7-8) приведены оценки вертикальной задержки сигналов в ионосфере, выраженные в единицах длины, полученные с помощью:

• разработанного одночастотного метода;

• стандартной модели ионосферы, применяемой в системе GPS;

• информации аналитических центров IGS, расположенных в Европейском центре орбитографии (CODE, Швейцария) и в Газодинамической лаборатории (JPL, США);

• модели ионосферы International Reference Ionosphere (IRI-95).

На графиках (рис. 7-8) по оси абсцисс приводится число часов, прошедших от начала первых суток эксперимента.

С 27 октября по 1 ноября 2003 г. были проведены экспериментальные исследования, в ходе которых определялась вертикальная задержка сигнала в ионосфере до начала и во время больших геомагнитных возмущений (рис. 9). Во время геомагнитных возмущений (с 29.10.03) Ар-индекс превышал 200 нТ. При этом расхождение разработанного одночастотного метода относительно данных IGS составило 5.32 м (СКП), расхождение модели ионосферы GPS относительно данных IGS составило 20 38 м (СКП). Разработанный одночастотный метод позволил в 3.83 раза точнее определить задержку сигнала в ионосфере, по сравнению с моделью ионосферы GPS. Данные экспериментальные исследования продемонстрировали устойчивость работы разработанного метода в период сильнейших геомагнитных возмущений, в отличие от модели ионосферы GPS, погрешность которой, в таких условиях, существенно возросла.

В-енэ CODE

JPL по а Ш1-95

Рис. 7. Результаты экспериментальных исследований, проведенных при низкой геомагнитной активности (Ар=6 нТ)

вреия, ч

одночастотный истод модель ионосферы GPS в-в-а CODE

JPL DO о IRI-9J

Рис. 8. Результаты экспериментальных исследований, проведенных при повышенной геомагнитной активности (Ар=40 нТ)

Рис. 9. Результаты экспериментальных исследований до начала и во время сильнейших геомагнитных возмущений (с 29.10.03 Ар>200 нТ)

В 2002 г. были проведены экспериментальные исследования разработанного одночастотного метода на подвижном объекте - самолете, в ходе высокоширотной экспедиции СО РАН. Измерения проводились в процессе перелета по маршруту «Хатанга - арх. Северная Земля - Ледовый аэродром ВШЭ» при помощи одночастотной НАЛ МРК-18А Полученные данные позволили составить меридиональный срез ионосферы при переходе от средних широт к высоким (рис. 10).

72 73 74 75 76 77 78 79 80 81 82 83 84 85 86 87 88 89 90

широта, град

Рис. 10. Вертикальная задержка сигнала в ионосфере, полученная во время перелета по маршруту «Хатанга - арх. Северная Земля - Ледовый аэродром ВШЭ»

Целью дальнейших экспериментальных исследований было применение разработанного одночастотного метода для коррекции измеренных псевдодальностей, а также подтверждение адекватности и корректности полученных во Второй главе выводов о влиянии ионосферы на погрешность определения координат. В ходе экспериментальных исследований навигационная задача решалась тремя способами:

1) без применения ионосферной коррекции;

2) с использованием стандартной модели ионосферы GPS для определения задержки сигнала в ионосфере;

3) с использованием разработанного одночастотного метода для определения задержки сигнала в ионосфере.

На рис. 11-12 приведены значения погрешности определения координат с ионосферной коррекцией (одночастотной метод) и без ионосферной коррекции. Мат. ожидание погрешности высоты без ионосферной коррекции Л/{Ду,} = 17.84 м, с помощью стандартной модели ионосферы GPS ЛЗг{Ду2} = 11.75 м и с ионоссЬеоной коррекцией на основе разработанного одночастотного метода А/{Ду3} = 7.94л<. Применение разработанного одночастот-ного метода позволило уменьшить мат. ожидание погрешности определения высоты в 2.2 раза по сравнению со случаем, когда при решении навигационной задачи не использовалась ионосферная коррекция, и в 1.5 раза уменьшить мат. ожидание погрешности определения высоты по сравнению со случаем, когда при решении навигационной задачи использовалась ионосферная коррекция с помощью стандартной модели ионосферы, применяемой в системе GPS.

погрешность по долготе, и погрешность по долготе, и

а) б)

Рис. 11. Погрешность определения координат в горизонтальной плоскости без ионосферной коррекции (а), с ионосферной коррекцией (б)

время, ч

без ионосферной коррекции1 с ионосферной коррекцией

Рис. 12. Погрешность определения высоты

Результаты экспериментов подтвердили выводы о влиянии ионосферы на погрешность определения координат, полученные в ходе вычислительного моделирования и теоретических исследований. На рис. 13 приведена сглаженная погрешность определения высоты за счет влияния ионосферы, которая получена путем вычитания погрешности определения высоты с ионосферной коррекцией из погрешности высоты без ионосферной коррекции. На этом же графике приведено значение погрешности высоты за счет влияния ионосферы, полученной с помощью формулы (2.9) в ходе теоретического исследования.

Рис. 13. Погрешность определения высоты, вызванная влиянием ионосферы: 1 - полученная в ходе эксперимента; 2 - полученная с помощью формулы Ду = 1.91-7,

В заключении сформулированы основные результаты диссертации: 1. С помощью методов теории чувствительности исследованы погрешности ОМИ, обозначены границы ее применимости на практике. Опираясь на принятую ОМИ, проведено исследование влияния задержки сигнала в ионосфере на погрешность определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС

и GPS, разработан и исследован метод определения задержки сигнала в ионосфере.

2. В ходе исследований получено, что задержка сигнала в ионосфере, в наибольшей степени, оказывает влияние на погрешности определения высоты и расхождения шкалы времени НАП относительно шкал времени систем ГЛОНАСС и GPS. Причем погрешности определения высоты и времени, главным образом, зависят только от ИЭК в вертикальном столбе ионосферы и слабо зависят от числа и геометрии расположения наблюдаемых НКА относительно НАП. Исследования, проведенные с помощью вычислительного моделирования, теоретических расчетов, а так же экспериментов, полностью подтвердили полученные выводы. Получены уравнения, которые дают возможность оценить аналитически, не прибегая к экспериментам или вычислительному моделированию, вклад ионосферы в погрешность определения высоты и времени.

3. Результаты полученные в диссертации открывают возможности для исследования свойств погрешностей псевдодальностей, зависящих от угла места НКА, например, задержки сигнала в тропосфере, что позволит более эффективно проектировать и использовать глобальные навигационные спутниковые системы следующих поколений.

4. Практическим результатом диссертационной работы является разработка одночастотного метода определения задержки сигналов в ионосфере, основанного на применении разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА. Применение разности приращений псевдодальностей для определения задержки сигнала в ионосфере позволяет исключить из вектора оцениваемых параметров начальные неоднозначности фазовых измерений по каждому НКА.

5. В ходе исследований показано, что разработанный одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере можно обобщить и для двухчастот-ных фазовых измерений, что создает предпосылки для создания метода определения задержки сигнала в ионосфере приближающегося к потенциальной точности оценки данной погрешности.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Кавтарашвили Ш.Ш., Казанцев М.Ю., Чмых М.К. Построение региональной модели ионосферы с помощью приемоиндикаторов ГЛОНАСС/GPS для проведения локального геодинамического мониторинга // Спутниковые системы связи и навигации: Труды Международной научно-технической конференции в 3-х томах. Красноярск: Изд-во КГТУ, 1997. - Т.З. - С. 92-99.

2. Казанцев М.Ю., Чмых М.К. Алгоритм определения ионосферной задержки сигналов в одночастотпой аппаратуре потребителей глобальных спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС/GPS // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 103-й годовщине Дня Радио «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: КГТУ, 1998. - С. 93-94.

3. Казанцев М.Ю., Чмых М.К. Исследование работы навигационного фильтра построенного на основе методов многоканальной калмановской фильтрации // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 104-й годовщине Дня Радио «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: КГТУ, 1999. -С. 74-75.

4. Казанцев М.Ю. Применение адаптивной фильтрации для решения навигационной задачи по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем // Тезисы докладов IV Всероссийской научно-практической конференции студентов, аспирантов, молодых специалистов «Решетневские чтения». -Красноярск: САА, 2000. - С. 29-30.

5. On The Problem Of Ionosphere Model Construction With Aid Of DORIS, GPS And GLONASS Satellite System / Sh. Kavtarashvily, M. Kazantsev, V. Kokorin, V. Osipov, S.A. Podlesny // Proceedings of DORIS Days 2000. - Toulouse, May, 2000.

6. Казанцев М.Ю. Экспериментальное исследование алгоритмов решения навигационной задачи построенных на основе метода многоальтернативной фильтрации // Вестник НИИ СУВПТ, Сборник научных трудов. - Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000. - Вып. 5. - С. 149-154.

7. Казанцев М.Ю., Марарескул Д.И., Кокорин В.И. Обобщенный алгоритм обработки навигационной информации в приемной аппаратуре ГЛОНАСС и GPS // Сборник научных трудов Всероссийской научно-технической конференции молодых ученых и студентов, посвященной 106-й годовщине Дня Радио «Современные проблемы радиоэлектроники». - Красноярск: КГТУ, 2001.-Ч. 1.-С.81.

8. Казагщев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Определение ионосферной задержки радиосигналов в систем ГЛОНАСС И GPS // Материалы Международной научно-практической конференции «САКС-2001». Красноярск: САА, 2001. - Ч.1. — С. 28-29.

9. Казанцев М.Ю. Определение ионосферной задержки сигналов в одночастот-ной аппаратуре потребителей глобальных навигационных спутниковых систем // Труды региональной научно-технической школы-семинара студентов, аспирантов, молодых ученых «Современные проблемы радиотехники (СПР-2001)». - Новосибирск: НГТУ, 2001. - С. 108-111.

10. Grebennikov A.V., Kazantsev M.Yu., Fateev Yu.L. Estimating ionospheric GLONASS and GPS signal delay by single frequency measurements // Proceedings of 9th Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems (May 27-29, 2002). - P. 37-45.

11. Казанцев М. Ю., Кашкин В.Б., Кокорин В.И. Определение интегральной электронной концентрации в ионосфере с помощью одночастотной аппаратуры спутниковых навигационных систем / // Труды Всероссийской научной конференции «Физика радиоволн». - Томск: Издательство Томского университета, 2002. - С. IV28-31.

12. Казанцев М.Ю., Поль В.Г., Фатеев Ю.Л., Ионосферная составляющая погрешности измерения координат на основе спутниковых радионавигацион-

ных систем // Сборник научных трудов НПО им. С.А. Лавочкина. Выпуск 4.

- М.: БЛОК-Информ-Экспресс, 2002. - С . 193-199.

13. Казанцев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Определение ионосферной погрешности измерения псевдодальностей в одночастотной аппаратуре систем ГЛОНАСС и GPS // Журнал радиоэлектроники №12, 2002. http://jre.cplire.ru/jre/dec02/6/text.html

14. Исследование влияния ионосферы на работу спутниковых навигационных . систем ГЛОНАСС и GPS в полярных районах / В.А. Борсоев, В.М. Владимиров, В.А. Гребенников, М.Ю. Казанцев, A.M. Филлипов, B.C. Новиков, В.Ф. Смирнов // Тезисы докладов Международной научно-технической конференции посвященной 80-летию гражданской авиации России «Гражданская авиация на современном этапе развития науки, техники и общества». -М.: МГТУ ГА, 2003. - С. 15.

15. Казанцев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Влияние ионосферы на погрешность определения координат по сигналам ГЛОНАСС и GPS // Труды X Санкт-Петербургской международной конференции по интегрированным навига-

- ционным системам. СПб: ГНЦ РФ - ЦНИИ «Электроприбор», 2003. - С. 136142.

16. Пат. 2208809 РФ, МКИ7 Н04В 7/185. Способ одночастотного определения задержки сигналов навигационной спутниковой системы в ионосфере / М.Ю. Казанцев, В.И. Кокорин, Ю.Л. Фатеев; Заявлено 21.02.02; Опубл. 20.07.03. Бюл. №20.

Подписано в печать 28.04.04 Формат бумага 60x84 1/16

Усл. печ. л. 2,0 Тираж 100 экз. Заказ 400/2

Отпечатано на ризографе КГТУ 660074, Красноярск, Киренского, 26

iP - 9 О 6 1

ОГЛАВЛЕНИЕ.

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1. Влияние ионосферы на сигналы систем ГЛОНАСС и GPS.

1.1. Погрешности измерения псевдодальностей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

1.1.1. Способы измерения псевдодальностей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

1.1.2. Случайные погрешности измерения псевдодальностей.

1.1.3. Систематические погрешности измерения псевдодальностей.

1.2. Влияние ионосферы на измерение псевдо дальностей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

1.2.1. Влияние ионосферы на групповое и фазовое запаздывание сигналов систем ГЛОНАСС и GPS.

1.2.2. Горизонтальные градиенты вертикальной задержки сигнала в ионосфере.

1.2.3. Скорость изменения вертикальной задержки сигнала в ионосфере.

1.2.4. Однослойная модель ионосферы.

1.2.5. Исследование свойств однослойной модели ионосферы с помощью функций чувствительности.

Широкое использование современных глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS приводит к необходимости повышения точности навигационных измерений. Большое влияние на погрешность навигационных измерений по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS оказывают условия прохождения сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) в атмосфере. Радиосигналы в атмосфере распространяются со скоростью, отличной от скорости радиоволны в вакууме, кроме того, из-за рефракции радиоволны распространяются по криволинейным траекториям. По этим причинам время распространения сигнала между НКА и навигационной аппаратурой потребителя (НАЛ) систем ГЛОНАСС и GPS отличается от времени, соответствующему прямолинейному распространению волн в вакууме. Атмосфера Земли приводит к появлению погрешности определения дальности до НКА. Как показывают исследования [4, 31, 43, 46, 81] наибольшее влияние на сигналы НКА ГЛОНАСС и GPS оказывает ионосфера.

Влияние ионосферы на распространяющиеся в ней сигналы НКА приводит к фазовым и групповым задержкам. Величина задержки сигнала в ионосфере зависит от солнечной активности, сезонных и ежедневных вариаций, угла места и азимута НКА и от широты и долготы НАЛ ГЛОНАСС и GPS. Величина погрешности измерения псевдодальности за счет задержки радиосигналов в ионосфере может достигать более 50 метров [81].

В системах ГЛОНАСС и GPS предусмотрена возможность компенсации влияния ионосферы на погрешность измерений псевдодальностей с помощью работы по сигналам двух частотных поддиапазонов L1 и L2 (LI ~ 1.6 ГГц и L2 ~ 1.2 ГГц). Доступ к навигационному сигналу частотного поддиапазона L2 систем ГЛОНАСС и GPS ограничен для гражданских потребителей, поскольку системы ГЛОНАСС и GPS контролируются военными ведомствами, соответственно, России и США [6, 7, 82].

Одночастотная НАЛ гражданского назначения работает только по сигналам ГЛОНАСС и GPS поддиапазона L1 и в ней отсутствует возможность исключения ионосферных погрешностей измерений с помощью работы по двум частотам. Двухчастотная НАЛ GPS, доступная гражданским потребителям, может быть в любое время отключена от второй частоты путем смены Р-кода на Y-код на второй частоте (режим «Anti-Spoofing») [82]. Одночастотная НАЛ ГЛОНАСС и GPS гражданского назначения в настоящее время получила наибольшее распространение, по сравнению с двухчастотной. По оценкам, приведенным в работе [91], к марту 2003 г. численность одночастотной НАП GPS составляла около 10 миллионов экземпляров. Общее количество двухчастотной НАП, по сравнению с одночастотной, незначительно.

Для одночастотной НАП ГЛОНАСС и GPS ионосферная задержка сигналов, излучаемых НКА, является наибольшим источником погрешности измерений псевдодальностей и существенным образом оказывает влияние на погрешность определения координат и времени, что делает исследования, направленные на поиск путей уменьшения ионосферной погрешности измерений актуальными.

Актуальность исследований посвященных проблеме влияния ионосферы на погрешность измерений по сигналам ГЛОНАСС и GPS подтверждается и тем, что влиянию условий распространения на работу спутниковых навигационных систем посвящена секция на ежегодной международной конференции «ION GPS» проводимой спутниковым отделением Института навигации США. Конференция «ION GPS» является одной из самых авторитетных в мире, посвященных глобальным спутниковым навигационным системам.

К настоящему времени опубликовано ряд работ, посвященных одночас-тотным методам определения задержки сигнала в ионосфере. В работах [31, 46, 81, 82] приведено описание глобальной модели ионосферы GPS, разработанной J. A. Klobuchar в 1975-81 гг., на основе которой одночастотный потребитель системы GPS может осуществлять ионосферную коррекцию. В настоящее время данная методика является стандартной и рекомендована интерфейсным контрольным документом (ИКД) системы GPS для уменьшения влияния ионосферы в одночастотной НАЛ. Параметры модели ионосферы GPS передаются в навигационном сообщении GPS. Согласно ИКД GPS [78], применение модели ионосферы GPS позволяет уменьшить, как минимум, на 50% влияние ионосферы на среднеквадратическую погрешность (СКП) определения координат, что для многих практических приложения является недостаточным. В системе ГЛОНАСС не предусмотрена какая-либо возможность коррекции влияния ионосферы для одночастотной НАЛ.

Сильная изменчивость состояния ионосферы в зависимости от многих факторов не позволяет прогнозировать величину задержки сигнала в ионосфере с точностью выше 70-5-80% даже с помощью весьма сложных многопараметрических моделей [31].

Помимо применения моделей ионосферы, в ряде работ для определения задержки сигнала в ионосфере использовалась геометрия прохождения сигнала НКА, а так же представление ионосферы в виде сферически слоистой среды. Здесь можно выделить одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере, разработанный V. Nagasamy, М. Usman, J. Sun и запатентованный в США фирмой VSIS, Inc. (США) [111, 112]. Недостатком такого метода является неучет наличия других погрешностей псевдодальностей, что в итоге, делает такой метод неработоспособным на практике. Отмеченный недостаток присутствует и в ряде работ, посвященных одночастотным методам определения задержки сигнала в ионосфере [45, 49]

Следует отметить, что применение адаптивных методов фильтрации для решения навигационной задачи по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS не позволило устранить влияние ионосферы на погрешность определения координат и времени [19, 20].

Наиболее перспективным направлением исследований посвященных определению задержки сигнала в ионосфере для одночастотной НАЛ ГЛОНАСС и GPS является разработка метода, основанного на использовании свойств принимаемых сигналов. В данном подходе определение ионосферной погрешности измерений, основано на использовании равенства по величине, и противоположности по знаку фазового и группового запаздывания в ионосфере сигналов систем ГЛОНАСС и GPS.

Одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере, разработанный в лаборатории GPS Стенфордского университета (США) в 1992 г., является одним из первых методов, в котором используется разность псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и фазе несущей частоты сигнала НКА. Результаты исследований, проведенные в лаборатории GPS Стенфордского университета, опубликованы в работе С. Cohen, В. Pervan, В. Parkinson [95]. В лаборатории GPS Стенфордского университета подробно исследованы изменения характеристик сигнала систем ГЛОНАСС и GPS под воздействием ионосферы, а также рассмотрены перспективы применения данного подхода для устранения ионосферной погрешности измерений в перспективных глобальных навигационных спутниковых системах, результаты опубликованы в работах J.R.I. Christie, B.W. Parkinson, Р.К. Enge [66, 67]. Дальнейшее развитие данного подхода было сделано в работах М. Trethewey, I. Catchpole, A. Hansia, P. Nisner, а так же R. Xia, W. Qiu, G. Lachapelle, M. E. Cannon [95].

Работы в этом направлении проводят отечественные и зарубежные фирмы-разработчики НАЛ ГЛОНАСС и GPS. В нашей стране, согласно работе Ю.С Дубинко [12], опубликованной в 2000 г., в КБ «НАВИС» проводятся исследования одночастотного метода, реализующего данный подход. Следует отметить, что исследования, посвященные разработке и исследованию одночастного метода определения задержки сигнала НКА в ионосфере, были начаты в Научно-исследовательском институте радиотехники (НИИРТ) Красноярского государственного технического университета (КГТУ), под руководством М.К. Чмыха в 1997 г., в рамках проводимых научно-исследовательских работ. Первые результаты были опубликованы в работах [16, 26].

За рубежом, исследования посвященные применению данного подхода в системах частотно-временной синхронизации, работающих по сигналам системы GPS, проводятся в фирме Agilent Technologies, Inc. (США), результаты исследований опубликованы в работах R.P. Giffard [72-74] и запатентованы в США [113]. Имеется положительный опыт, по использованию данного подхода, в исследованиях проводимых во Франции под эгидой Национального центра космических исследований (CNES), в рамках работ по испытанию составной части широкозонной дифференциальной подсистемы EGNOS - EURIDIS. В ходе этих исследований применялась одночастотная НАЛ SERCEL NR 106 фирмы Sercel (Франция), где был реализован одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере, на основе рассматриваемого подхода. Одночастотная НАЛ SERCEL NR 106 применялась для калибровки разности задержек в каналах двухчастотной НАЛ Aschtech-Z12 фирмы Aschtech (США) [61].

В работе [105] приведено описание исследований атмосферной рефракции, температуры и влажности по измерениям сигналов системы GPS, в период когда был включен режим «Anti-Spoofing», при этом работа по второй частоте L2 системы GPS становилось невозможным даже в бескодовом режиме. В ходе исследований, для вычисления приращения задержки сигнала в ионосфере применялись измерения по дальномерному коду и фазе несущей сигнала НКА на одной частоте.

В большинство одночастотных методов, разработанных на основе использования разности псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и фазе несущей частоты сигнала НКА, имеет существенный недостаток, который заключается в необходимости определения начальных неоднозначностей фазовых измерений по каждому НКА. В данных методах начальные неоднозначности фазовых измерений по каждому НКА оцениваются вместе с задержкой сигнала в ионосфере, что существенным образом усложняет реализацию и снижает эффективность работы такого метода, чем и объясняется отсутствие широкого применения его на практике.

На протяжении уже более чем двадцати лет эксплуатации систем ГЛОНАСС и GPS остается до конца не исследованным вопрос о влиянии ионосферы на погрешность определения координат и времени. Анализ открытых публикаций, посвященных влиянию ионосферы на работу систем ГЛОНАСС и

GPS показал, что проблема оценки влияния ионосферы на погрешность координат и времени изучена недостаточно.

Анализ погрешностей координат рассматривался в известных отечественных работах по спутниковой навигации В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина, B.C. Шебшаевича [7, 43], эти исследования проводились в ведущих отечественных научно-исследовательских институтах, таких как, Российский НИИ Космического приборостроения (РНИИ КП), Российский институт радионавигации и времени (РИРВ). Аналогичные исследования проводились и в Институте прикладной математики (ИПМ) им. М.В. Келдыша РАН, результаты опубликованы в работах, авторами которых являются Э.Л. Аким и Д.А. Тучин [3, 50]. Исследование влияния погрешностей измерения псевдодальностей на погрешность определения частоты и времени по сигналам глобальных спутниковых навигационных систем проведен в совместной работе А.В. Канищева и С.Б. Перминова [28].

За рубежом исследования погрешностей определения координат и времени опубликованы в работах В. Hofmann-Wellenhof, Н. Lichtenegger, J. Collins, P.O. Camargo, J.F.G Monico., L.D.D. Ferreira [62, 81]. Результаты экспериментального исследования влияния ионосферы на погрешность работы аппаратуры частотно-временной синхронизации, работающей по сигналам системы GPS, опубликованы в работе L. Schmidt, R. Kramer [103].

В большинстве публикаций, посвященных проблеме влияния ионосферы на погрешность определения координат и времени, анализ погрешностей координат и времени сводится к изучению влияния центрированных, равноточных погрешностей измерений псевдодальностей. Такие погрешности значительно меньше систематических погрешностей и не вносят существенного вклада в общую погрешность координат и времени. На основе такого анализа делается вывод, что соотношение между погрешностями измерений псевдодальностей и погрешностями координат и времени, зависит только от геометрии взаимного положения НКА и НАЛ. На этом выводе основывается концепция геометрического фактора, являющегося мерой уменьшения точности определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS из-за особенностей пространственного расположения НКА и НАЛ.

Завершая краткий обзор литературы по заявленной теме исследования, можно сделать вывод, что проблема изучения и устранения ионосферных погрешностей для одночастотной НАЛ ГЛОНАСС и GPS является актуальной и требует дальнейшего исследования.

Системы ГЛОНАСС и GPS имеют во многом похожие характеристики, данный факт позволяет рассматривать проблему определения ионосферных погрешностей измерений в одночастотной НАЛ сразу для двух систем одновременно. В диссертации рассмотрены методы только автономного определения , ионосферных погрешностей измерения псевдодальностей в одночастной НАЛ и не затрагивается использование методов на основе информации дополнительно передаваемой для одночастотной НАЛ. К числу таких методов можно отнести дифференциальный режим [43, 46], передача параметров о состоянии ионосферы [11, 84, 85, 87], а так же применение систем WAAS, EGNOS [46]. Применение таких методов лишает НАЛ ГЛОНАСС и GPS ее самых главных преимуществ - автономности и глобальности. Исследования, проведенные в диссертации затрагивают только системы ГЛОНАСС и GPS, но полученные результаты могут быть распространены и на проектируемые в настоящее время системы, например, европейская глобальная навигационная спутниковая система GALILEO.

В данной работе, объектом исследований являются системы ГЛОНАСС и GPS, предметом исследований систематические погрешности измерений по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, вызванные влиянием ионосферы, а так же методы определения погрешностей измерений.

Целью работы является исследование влияния ионосферы на погрешность определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, повышение точности одночастотной НАЛ ГЛОНАСС и GPS. В соответствии с поставленной целью решаются следующие задачи исследования'.

1. Теоретическое и экспериментальное исследование ионосферной составляющей погрешности координат и времени.

2. Разработка одночастотного метода определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере по разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА.

3. Экспериментальные исследования разработанного одночастотного метода определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере по разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА.

В диссертационной работе, для решения поставленных задач использовался аппарат теории линейной фильтрации, методы математического анализа, теории чувствительности, оптимизации. В ходе исследований использовались экспериментальные методы исследований, а также методы вычислительного моделирования.

Научная новизна результатов работы состоит в следующем. Впервые получены аналитические выражения, связывающие погрешности определения высоты и времени по сигналам ГЛОНАСС и GPS с задержкой сигнала в ионосфере. Установлено, что наибольшая часть ионосферной составляющей погрешности определения высоты и времени (90% от всей величины) зависит только от вертикальной задержки сигнала в ионосфере. Остальная часть ионосферной составляющей погрешности определения высоты и времени (10% от всей величи- , ны) зависит в равной степени от задержки сигнала в ионосфере и от геометрии расположения наблюдаемого созвездия НКА относительно НАЛ. Разработан метод одночастотного определения задержки сигнала в ионосфере, основанный на применении разности приращений псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и фазе несущей частоты сигнала НКА.

Теоретическая значимость. Получены аналитические выражения, которые описывают влияние ионосферы на погрешность определения координат и времени по сигналам НКА глобальных спутниковых навигационных систем. Обоснован вывод, что задержка сигнала в ионосфере вызывает только смещение оценки координат по высоте и смещение оценки шкалы времени НАП, причем эти погрешности слабо (10% от всей величины) зависят от состава и конфигурации наблюдаемого созвездия НКА, а определяются величиной вертикальной задержки сигнала НКА в ионосфере. Разработанная методика исследований позволяет изучить погрешности измерения псевдодальностей, зависящие от угла места НКА, например, тропосферную погрешность.

Практическая значимость и реализация результатов исследований. Полученные зависимости погрешностей высоты и времени от задержки сигнала НКА в ионосфере дают возможность оценить и уменьшить вклад ионосферы в погрешность определения высоты и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

Разработанный одночастотной метод, защищенный патентом РФ №2208809 [38], позволил уменьшить в 2.7 раза СКП определения задержки сигнала систем ГЛОНАСС и GPS в ионосфере и в 1.5 раза уменьшить математическое ожидание погрешности определения высоты, по сравнению со стандартной моделью ионосферы, применяемой в системе GPS. Разработанный од-ночастотный метод может быть реализован в НАП ГЛОНАСС и GPS, работающей на подвижных и неподвижных объектах, в аппаратуре частотно-временной синхронизации, работающей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, а также при создании мобильных и стационарных станций мониторинга ионосферы.

Результаты, полученные в диссертации, позволили повысить точность НАЛ ГЛОНАСС и GPS, которая разрабатывается в НИИРТ КГТУ совместно с ФГУП НПГ1 «Радиосвязь» (г. Красноярск) и выпускается серийно в ФГУП Hi 111 «Радиосвязь». Результаты исследований использованы в НИОКР, проводимых в НИИРТ КГТУ:

• НИОКР «Разработка аппаратно-программного комплекса для обеспечения топопривязки, ориентирования и синхронизации элементов РЛК 55Ж6М», заказчик - Нижегородский НИИРТ.

• ОКР «Разработка навигационного канала спутниковых радионавигационных систем ГЛОНАСС-НАВСТАР», заказчик - ОАО «ЦКБ Алмаз».

• ОКР «Разработка и изготовление беззапросных измерительных станций (БИС) в интересах эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) и обеспечения целостности космической навигационной системы ГЛОНАСС-М», заказчик - Научно-производственное объединение прикладной механики им. академика М.Ф. Решетнева.

Разработанный одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере применялся для обработки данных, полученных в ходе высокоширотной экспедиции (ВШЭ) СО РАН в 2002 г. по изучению влияния ионосферы на работу систем ГЛОНАСС и GPS.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Получены, подтвержденные экспериментально, аналитические выражения, связывающие погрешности определения высоты и времени по сигналам ГЛОНАСС и GPS с задержкой сигнала в ионосфере.

2. Аналитически и экспериментально установлено, что наибольшая часть ионосферной составляющей погрешности определения высоты и времени (90% от всей величины) зависит только от вертикальной задержки сигнала в ионосфере, остальная часть (10% от всей величины) зависит в равной степени от задержки сигнала в ионосфере и от геометрии расположения наблюдаемого созвездия НКА относительно НАЛ.

3. Применение разности приращений псевдодальностей, измеренных по даль-номерному коду и фазе несущей частоты сигнала НКА позволяет уменьшить среднеквадратическую погрешность определения задержки сигнала в ионосфере в 2.7 раза и в 1.5 раза уменьшить математическое ожидание погрешности определения высоты, по сравнению с моделью ионосферы, используемой в системе GPS.

Структура диссертации и ее краткое содержание. Диссертация состоит из введения, четырех глав и двух приложений.

4.6. ОСНОВНЫЕ ВЫВОДЫ

Проведенные экспериментальные исследования позволяют сделать следующие выводы. После проведения серии экспериментальных исследований в средних широтах, при различных геомагнитных условиях, установлено, что среднеквадратическая погрешность определения задержки сигнала в ионосфере, с помощью разработанного одночастотного метода, составляет 0.7 м, при этом разработанный метод позволил уменьшить погрешность определения задержки сигнала в ионосфере в 2.7 раза и погрешность определения высоты в 1.5 раза по сравнению со стандартной моделью ионосферы, применяемой в системе GPS.

В ходе проведенных исследований установлено, что погрешность определения высоты состоит из нескольких составляющих. Первая составляющая формируется под влиянием погрешностей зависящих от угла места НКА (ионосфера и тропосфера). Эта составляющая погрешности смещает оценку высоты вверх, ее величина пропорциональна вертикальной задержке сигнала в ионосфере и тропосфере. Вторая составляющая погрешности определения высоты зависит от погрешности измерения псевдодальностей, в которую входят эфемерид НКА и погрешности определения расхождения шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС или GPS. Данная составляющая погрешности координат имеет квазигармонический (волнообразный) характер, меняет скачкообразно амплитуду и фазу при изменении состава рабочего созвездия НКА. Данная составляющая погрешности является центрированной с математическим ожиданием близким к нулю, с СКО превышающим величину первой составляющей погрешности высоты. Именно погрешности эфемеридно-временного обеспечения НКА, а так же систематические погрешности, возникающие в аппаратуре НКА вызывают скачкообразное изменение оценки высоты при изменении рабочего созвездия НКА.

Погрешности определения координат в горизонтальной плоскости зависят, главным образом, не от влияния ионосферы, а от погрешности измерения псевдодальностей, в которую входят погрешности эфемеридно-временного обеспечения НКА и групповая задержка сигнала в бортовой аппаратуре НКА. По своим свойствам погрешности широты и долготы аналогичны второй составляющей погрешности высоты.

При устранении ионосферной составляющей погрешности высоты в несколько раз уменьшается математическое ожидание погрешности высоты, при этом СКП высоты изменяется незначительно.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В результате проведенных исследований можно сделать следующие выводы. Однослойная модель ионосферы отражает наиболее существенные свойства задержки сигнала в ионосфере - ее зависимость от угла места НКА и высоты слоя ионосферы. В однослойной модели ионосферы предполагается, что все электроны сосредоточены в тонком слое, расположенном на некоторой высоте над поверхностью Земли, при этом задержка сигнала в ионосфере зависит от угла места НКА. С помощью методов теории чувствительности, в диссертационной работе исследованы погрешности однослойной модели ионосферы, обозначены границы ее применимости на практике.

Опираясь на принятую однослойную модель ионосферы, проведено исследование влияния задержки сигнала в ионосфере на погрешность определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, разработан и исследован одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере.

В ходе исследований было получено, что задержка сигнала в ионосфере в наибольшей степени оказывает влияние на погрешности определения высоты и расхождения шкалы времени НАЛ относительно шкал времени систем ГЛОНАСС и GPS, причем погрешности определения высоты и времени зависят, главным образом, от вертикальной задержки сигнала в ионосфере, прямо пропорциональной интегральной электронной концентрации в вертикальном столбе ионосферы, и слабо зависят от числа и геометрии расположения наблюдаемых НКА относительно НАЛ. Исследования проведенные с помощью вычислительного моделирования, теоретических расчетов, а так же экспериментов, полностью подтвердили полученные выводы. Получены уравнения, которые дают возможность оценить аналитически, не прибегая к экспериментам или вычислительному моделированию, вклад ионосферы в погрешность определения высоты и времени.

Практическим результатом диссертационной работы является разработка одночастотного метода определения задержки сигналов в ионосфере, основанного на применении разности приращений измеренных псевдодальностей по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала НКА. Полученный метод защищен патентом РФ №2208809 [38].

Применение разности приращений псевдодальностей для определения задержки сигнала в ионосфере позволяет исключить из вектора оцениваемых параметров начальные неоднозначности фазовых измерений по каждому НКА. После проведения серии экспериментальных исследований в средних широтах, при различных геомагнитных условиях, установлено, что СКП определения задержки сигнала в ионосфере составляет 0.7 м, при этом разработанный метод позволил уменьшить СКП определения задержки сигнала в ионосфере в 2.7 раза и математическое ожидание погрешности определения высоты в 1.5 раза по сравнению со стандартной моделью ионосферы, применяемой в системе GPS.

Разработанный одночастотный метод может использоваться в НАЛ ГЛОНАСС и GPS, работающей на подвижных и неподвижных объектах, в аппаратуре частотно-временной синхронизации, работающей по сигналам ГЛОНАСС и GPS, его также можно использовать при создании мобильных и стационарных станций мониторинга ионосферы.

Результаты исследований позволили повысить точность НАЛ ГЛОНАСС и GPS, которая разрабатывается в НИИРТ КГТУ совместно с ФГУП НПП «Радиосвязь» и выпускается серийно в ФГУП НПП «Радиосвязь». Результаты исследований использованы в НИОКР, проводимых в НИИРТ КГТУ.

В ходе исследований показано, что разработанный одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере можно обобщить и для двухчастот-ных фазовых измерений, что создает предпосылки для создания метода, приближающегося к потенциальной точности оценки данной погрешности.

Результаты полученные в диссертации открывают возможности для исследования свойств погрешностей псевдодальностей, зависящих от угла места НКА, например, задержки сигнала в тропосфере, что позволит более эффективно проектировать глобальные навигационные спутниковые системы следующих поколений.

На основе результатов, полученных в диссертации, можно сделать вывод, что ионосфера не является наибольшим источником погрешности определения координат. Наибольшее влияние на погрешность определения координат оказывают в совокупности следующие составляющие погрешности измерения псевдо дальностей: погрешности определения положения НКА (погрешности эфемерид НКА); погрешности определения расхождения шкалы времени НКА относительно шкалы времени системы ГЛОНАСС и GPS; погрешность определения задержки сигнала в бортовой аппаратуре НКА.

Указанные погрешности принадлежат космическому сегменту систем ГЛОНАСС и GPS и зависят от точности функционирования подсистем контроля и управления систем ГЛОНАСС и GPS.

Существует потенциальная возможность существенного уменьшения погрешностей определения координат и времени за счет повышения точности расчета в подсистемах контроля и управления эфемерид НКА, ухода бортового времени, а также задержки сигнала в бортовой аппаратуре НКА и других поправок. Примером тому является Европейский центр орбитографии (CODE), который на основе данных международной службы IGS, добился СКП определения координат НКА систем ГЛОНАСС и GPS не превышающей 0.128 м [108].

Опираясь на результаты, полученные в диссертации можно сформулировать направление дальнейших исследований в области определения влияния условий распространения сигнала систем ГЛОНАСС и GPS на погрешность определения координат и времени:

Экспериментальные исследование разработанного одночастотного метода определения задержки сигналов в ионосфере на подвижном объекте (самолете, локомотиве) с привлечением эталонных измерений.

• Экспериментальные исследования влияния ионосферы на погрешность определения времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

• Экспериментальные исследования работы в аппаратуры частотно-временной синхронизации, работающей по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS, в которой применяется разработанный одночастотного метод определения задержки сигналов в ионосфере.

• Экспериментальные исследования разработанного двухчастотного метода определения задержки сигнала в ионосфере, основанного на использовании разности приращений псевдодальностей, измеренных фазе несущей частоты сигнала НКА на частоте L1 и L2.

• Исследование влияния тропосферы на погрешность определения координат и времени по сигналам систем ГЛОНАСС и GPS.

По мнению автора, наибольшую ценность диссертационной работе придает большой объем экспериментальных исследований, подтверждающих правильность теоретических разработок. Такой результат был достигнут в результате плодотворной работы в коллективе НИИ Радиотехники КГТУ.

Автор выражает самую искреннюю благодарность своим коллегам А.В. Гребенникову, Ф.В. Зандеру, В.Б. Новикову, И.Н. Сушкину, Ю.Л. Фатееву за под держку и полезные обсуждения в период всей работы над диссертацией.

Автор благодарит Ш.Ш. Кавтарашвили, доцента кафедры Системного анализа и исследования операций Сибирской аэрокосмической академии им. М.Ф. Решетнева, ведущего инженера НПО ПМ им. М.Ф. Решетнева, оказавшего неоценимую помощь на начальном этале исследований проблем, рассмотренных в диссертации.

Эксперименты по использованию разработанного одночастотного метода определения задержки сигнала в ионосфере, проводились совместно с КНЦ СО РАН в ходе высокоширотной экспедиции под руководством В.М. Владимирова.

1. Агафонников A.M. Фазовые радиогеодезические системы для морских исследований. М.: Наука, 1979. 164 с.

2. Айзинов М.М. Избранные вопросы теории сигналов и теории цепей. М.: Связь, 1971.-349 с.

3. Бортовые устройства спутниковой радионавигации. / И.В. Кудрявцев, И.Н. Мищенко, А.И. Волынкин и др. Под ред. B.C. Шебшаевича. М.: Транспорт, 1988.-201 с.

4. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ (редакция пятая). М.: КНИЦ МО РФ, 2002. -57 с.

5. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС / Под ред. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1999. - 560 с.

6. Гришин Ю.П., Казаринов Ю.М. Динамические системы, устойчивые к отказам. М.: Радио и связь, 1985. - 176 с.

7. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн. Учеб. пособие для радио-техн. спец. вузов. М., Высшая школа, 1975. 260 с.

8. Дубинко Ю.С. Некоторые направления развития аппаратуры потребителей в фирме КБ «НАВИС» // Сборник трудов III Международной конференции «Планирование глобальной навигации» (9-11 октября 2000, Москва, Россия). М.: НТЦ «Интернавигация», 2000.

9. Зондирование ионосферы с помощью спутниковых навигационных систем / В.А. Андрианов, Н.А. Арманд, E.JI. Мосин, В.М. Смирнов // Электроника: Наука, Технология, Бизнес. 1997. - №2. - С. 11-18.

10. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов / О.Н. Анучин, Г.И. Емельянцев / Под общей ред. чл.-кор. РАН В .Г. Пешехонова. СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 1999. -357 с.

11. Казанцев М.Ю. Адаптация модели нестационарного подвижного объекта в задаче обработки навигационной информации // Вестник НИИ СУВПТ, Сб. научных трудов. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000. - Вып. 4. - С. 109116.

12. Казанцев М.Ю. Экспериментальное исследование алгоритмов решения навигационной задачи построенных на основе метода многоальтернативной фильтрации // Вестник НИИ СУВПТ, Сб. научных трудов. Красноярск: НИИ СУВПТ, 2000. - Вып. 5. - С. 149-154.

13. Казанцев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Определение ионосферной задержки радиосигналов в систем ГЛОНАСС И GPS // САКС-2001: Материалы Международной научно-практической конференции. (1-4 дек., 2001, г. Красноярск) / САА. Ч. I. - Красноярск, 2001. - С. 28-29.

14. Казанцев М.Ю., Фатеев Ю.Л. Определение ионосферной погрешности измерения псевдодальностей в одночастотной аппаратуре систем ГЛОНАСС и GPS // Журнал радиоэлектроники №12, 2002 http://jre.cplire.rU/jre/dec02/6/text.html

15. Канищев А.В., Перминов С.Б. Основы анализа точности частотно-временного обеспечения спутниковых радионавигационных систем // Вопросы радиоэлектроники. Серия «Общие вопросы радиоэлектроники». -1990. Выпуск 7. - С. 63-67.

16. Колосов М.А., Арманд Н.А., Яковлев О.И. Распространение радиоволн при космической связи. М.: Связь, 1969. - 156 с.

17. Космические радиотехнические комплексы / С.И. Бычков, Д.П. Лукьянов, Е. И. Назимок и др.; Под ред. С.И. Бычкова. М.: Советское радио, 1967. -584 с.

18. Котяшкин С. И. Определение ионосферной задержки сигналов в одночас-тотной аппаратуре системы навигации NAVSTAR // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. -№ 5. - С. 85-95.

19. Липкин И. А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.-288 с.

20. Манин А. П., Романов Л.М. Методы и средства относительных определений в системе NAVSTAR // Зарубежная радиоэлектроника. 1989. — №1. -С. 33-45.

21. Марчук В. Н., Смирнов В. М. Определение электронного содержания ионосферы Земли по данным дальномерных и фазовых измерений // Электронный журнал «Исследовано в России». 2001. - С. 1465-1475. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/127.pdf

22. Медведев А.В. Параметрические системы обучения и адаптации. Препринт. Красноярск: ВЦ СО АН СССР, 1981. - 64 с.

23. Мерилл Г. Исследование операций // Основы проектирования управляемых снарядов / Под ред. Г. Мерилла. М.: Издательство иностранной литературы, 1959.-С. 13-237.

24. Орир Дж. Физика. Т.2.: Пер. с англ. -М.: Мир, 1981. 288 с.

25. Пат. 2208809 РФ, МКИ7 Н04В 7/185. Способ одночастотного определения задержки сигналов навигационной спутниковой системы в ионосфере / М.Ю. Казанцев, В.И. Кокорин, Ю.Л. Фатеев № 2002104727/09; Заявлено2102.02; Опубл. 20.07.03. Бюл. №20.

26. Радиосистемы межпланетных космических аппаратов / Р. В. Бакитько, М. Б. Васильев, А. С. Виницкий и др.; Под ред. А. С. Виницкого.- М.: Радио и связь, 1993. 328 с.

27. Результаты использования навигационной системы «НАВСТАР» для мониторинга ионосферы Земли / В.А. Андрианов, Н.А. Арманд, Е.Л. Мосин, В.М. Смирнов // Исследования Земли из космоса. 1996. - №2. - С. 10-16.

28. Сейдж Э., Меле Дж. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении. Пер. с англ. под ред. проф. Б. Р. Левина. М.: Связь, 1976. 496 с.

29. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н. В. Иванцевич и др.; Под ред. В. С. Шебшаевича. 2-е изд., перераб. и доп. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

30. Смирнов В. М. Вариации ионосферы в период землетрясений по данным навигационных систем // Электронный журнал «Исследовано в России». -2001.-С. 1759-1767. http://zhurnal.ape.relarn.ru/articles/2001/153.pdf

31. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. М.: Эко-Трендз, 2000. -268 с.

32. Спектр перемещающихся ионосферных возмущений по данным глобальной сети GPS / Э.Л. Афраймович, Е.А. Косогоров, О.С. Лесюта, И.И. Ушаков // Известия вузов. Радиофизика. 2001. - Т. XLIV, №10.

33. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации. СПб.: ГНЦ РФ-ЦНИИ «Электроприбор», 1998.-370 с.

34. Тучин Д.А. Кодовые измерения псевдодальности системы GPS. Модель ошибок и априорная оценка точности определения вектора положения, препринт Института прикладной математики им. М.В. Келдыша РАН, Ре-дакционно-издательская группа, 2002, № 30.-17 с.

35. Фарина А., Студер Ф. Цифровая обработка радиолокационной информации. Сопровождение целей: Пер. с англ. М.: Радио и связь, 1993. - 320 с.

36. Черный Ф. Б. Распространение радиоволн. 2-е изд., доп. и переработ. -М.: Сов. радио, 1972. - 464 с.

37. Чмых М.К. Цифровая фазометрия. М.: Радио и связь, 1993. - 184 с.

38. Чуров Е.П. Спутниковые системы радионавигации. М.: Сов. радио, 1977. -392 с.

39. Шульце К.-П., Реберг К.-Ю. Инженерный анализ адаптивных систем: Пер. с нем. М.: Мир, 1992. - 280 с.

40. Экстремальная радионавигация. / Под ред. Р.И. Полонникова и В.П. Тара-сенко. М.: Наука, 1978. - 280 с.

41. Abousalem М., Lusin S., Tubalin О., de Salas J. Performance Analysis of GPS Positioning Using WAAS and EGNOS // Proceedings of GNSS 2000 Conference, Edinburgh, Scotland, UK, May 1-4, 2000.

42. Blanch J., Walter Т., Enge P. Ionospheric threat model methodology for WAAS // Proceedings of the Institute of Navigation's Annual Meeting, Albuquerque, NM, June 2001.

43. Brunet M., Lamy A., Suard N. EURIDIS system test measurement station // Proceedings of ION GPS-99. The Satellite Division of the Institute of Navigation 12th International Technical Meeting. Nashville, Tennessee, September 14-17, 1999.-P. 2325-2333.

44. Camargo P.O., Monico J.F.G., Ferreira L.D.D. Application of ionospheric corrections in the equatorial region for LI GPS users // Earth Planets Space. -2000.-V.52.-P. 1083-1089.

45. Christie J., Ко P.-Y., Pervan В., Enge P., Powell D., Parkinson B. The effects of local ionospheric decorrelation on LAAS theory and experimental results // Proceedings of ION NTM-99. Atmospheric Effects. San Diego, California, January 1999.

46. Christie J.R.I., Parkinson B.W., Enge P.K. A Proposed Signal Design for GNSS2: The Use of Faster and Longer Codes to Provide Real-Time Single Frequency Ionospheric Measurements // Proceedings of GNSS-97, 21-24 April 1997, Munich, Germany.

47. Christie J.R.I., Parkinson B.W., Enge P.K. The Effects of the Ionosphere and C/A Frequency on GPS Signal Shape: Considerations for GNSS-2 // Proceedings of ION GPS-96. Kansas City, Missouri, September, 1996. - P. 647-653.

48. Conley R., Lavrakas J. W. The world after Selective Availability // Proceedings of ION GPS-99. The Satellite Division of the Institute of Navigation 12th International Technical Meeting. Nashville, Tennessee, September 14-17, 1999. -P. 1353-1361.

49. Feltens J., Schaer S. IGS productions for the ionosphere // Proceedings of the IGS Analysis Center Workshop ESA/ESOC, Darmstadt, Germany, February 911, 1998.-P. 225-232.

50. Giffard R.P. Estimation of GPS ionospheric delays using LI code and carrier-phase observables // Proceedings of 31st Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, December 7-9, 1999, Dana Point, California. P. 405-417.

51. Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard, U.S. Department of Defense, October, 2001. 66 p.

52. Global Positioning System Standard Positioning Service Signal Specification, 2nd Edition, June, 1995.

53. Hansen A., Blanch, J., Walter Т., Enge P. Ionospheric correlation analysis for WAAS: quiet and stormy // Proceedings of the Institute of Navigation's GPS conference, Salt Lake City, UT, Sep 2000.

54. Hansen A.J. Tomographic estimation of the ionosphere using terrestrial GPS sensors // Ph. D. dissertation, Stanford University, USA, 2002. 200 p.

55. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System. Theory and Practice. Springer-Verlag Wien New York, 1994. 356 p.

56. ICD-GPS-200, Revision C, U.S. Government, October 10, 1993.

57. Kavtarashvily Sh., Kazantsev M., Kokorin V., Osipov V., Podlesny S.A. On the Problem of Ionosphere Model Construction with Aid of DORIS, GPS And GLONASS Satellite System // Proceedings of DORIS Days 2000, Toulouse, May, 2000.

58. Knight M., Finn A. The Effects of Ionospheric Scintillations on GPS // Proceedings of ION GPS-98. The Satellite Division of the Institute of Navigation 11th International Technical Meeting. Nashville, Tennesee, September 15-18, 1998.-P. 673-685.

59. Komjathu A., Langley R.B. Improvement of a global ionospheric model to provide ionospheric range error corrections for single-frequency GPS users // Proceedings of the ION 52nd Annual Meeting Workshop, MA, USA, 19-21 June, 1996.-P. 557-566.

60. Komjathu A., Langley R.B. The Effect of Shell Height on High Precision Ionospheric Modelling Using GPS // Proceedings of the IGS Workshop in Silver Spring, Maryland, USA, 19-21 March, 1996. P. 193-203.

61. Komjathy A., Born G.H., Anderson D.N. An improved high precision ionospheric total electron content modeling using GPS // Proceedings of the IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium, Honolulu, Hawaii, 24-28 July 2000. P. 52-55.

62. Komjathy A., Langley R.B., Vejrazka F. Assessment of Two Methods to Provide Ionospheric Range Error Corrections for Single-frequency GPS Users // Proceedings of IUGG XXI General Assembly, Boulder, CO, 2-14 July 1995.

63. Langley R. B. Iraq and GPS: Some Frequently Asked Questions // GPS World April 4, 2003.rhttp://www.gpsworld.com/gpsworld/article/articleDetailj sp?id=52541 92. Leung J.-S. User-autonomous ionospheric correction for hybrid constellations //

64. Proceedings of ION GPS-98. The Satellite Division of the Institute of Navigation 11th International Technical Meeting. Nashville, Tennesee, September 15-18, 1998.-P. 711-716.

65. Mervart L. Ambiguity resolution techniques in geodetic and geodynamic applications of the global positioning system // Ph. D. dissertation, Astronomical Institute of the University of Bern, Switzerland, 1995. 172 p.

66. NAVSTAR GPS User Equipment Introduction (Public Release Version) September 1996.-215 p.

67. Nisner P., Trethewey M. GPS Ionospheric determinations using LI only // proceedings of the 5th International conference on "Differential Satellite Navigation Systems", Additional Volume, St. Petersburg, Russia, May, 1996.

68. Noll C.E. CDDIS 2000 Global Data Center Report // IGS 2000 Technical Report.-2001.

69. Phelts R.E. Multicorrelator Techniques for Robust Mitigation of Threats to GPS Signal Quality // Ph. D. dissertation, Stanford University, USA, 2001. 316 p.

70. Schaer S. Mapping and Predicting the Earth's Ionosphere Using the Global Positioning System // Ph. D. dissertation, Astronomical Institute of the University of Bern, Switzerland, 1999. 208 p.

71. Schaer S., Beutler G., Rothacher M. Mapping and Predicting the Ionosphere // Proceedings of the IGS Analysis Center Workshop ESA/ESOC, Darmstadt, Germany, February 9-11,1998. P. 307-318.

72. Schaer S., Gurtner W., Feltens J. IONEX: The IONosphere Map EXchange Format Version 1, February 25, 1998 // Proceedings of the IGS Analysis Center

73. Workshop ESA/ESOC, Darmstadt, Germany, February 9-11, 1998. P. 233247.

74. Shaw M., Sandhoo K., Turner D. Modernization of the Global Positioning System // Proceedings of 32st Annual Precise Time and Time Interval (PTTI) Systems and Applications Meeting, November 28-30, 2000, Dana Point, Virginia.-P. 17-30.

75. Single frequency processing of GPS radio occultations / M. de la Tore Juarez, G.A. Hajj, E.R. Kursinski, D. Kuang, A.J. Manucci, L.J. Romans // International Journal of Remote Sensing. 2002, Vol. 9, No. 4. - P. 510-524.

76. Springer T.A. Modeling and Validating Orbits and Clocks Using the Global Positioning System // Ph. D. dissertation, Astronomical Institute of the University of Bern, Switzerland, 1999. 155 p.

77. Пат. 5471217 США, МКИ6 H04R 7/185, G01S 5/02. Method and apparatusfor smoothing code measurements in a global positioning system receiver / R.R. Hatch, J.E. Knight (США); Magnavox Electronic Systems Company (США). Заявл. 01.02.93; Опубл. 28.11.95.

78. Пат. 6163295 США, МКИ7 Н04В 7/185. Ionospheric correction for single frequency GPS receivers using two satellites / V. Nagasamy, M. Usman, J. Sun (США); VSIS, Inc. (США). Заявл. 09.04.99; Опубл. 19.12.2000.

79. Пат. 6169958 В1 США, МКИ7 G06F 165/00. Ionospheric correction for single frequency GPS receivers using two satellites / V. Nagasamy, M. Usman, J. Sun (США); VSIS, Inc. (США). Заявл. 09.04.99; Опубл. 02.01.2001.