автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Высокоточное определение навигационных погрешностей GPS с помощью одночастотных приемников

005015218

Рябков Павел Владимирович

ВЫСОКОТОЧНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ СРБ С ПОМОЩЬЮ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПРИЕМНИКОВ

Специальность 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

АВТОРЕФЕРАТ диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

1 2 МАР 2012

Москва-2012

005015218

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель: Официальные оппоненты:

доцент, доктор технических наук Горбачев Олег Анатольевич

Заслуженный деятель науки и техники РФ, профессор, доктор физико-математических наук Козлов Анатолий Иванович

Ведущая организация

доктор технических наук Борсоев Владимир Александрович

ОАО МКБ «КОМПАС» г. Москва

Защита состоится «28» марта 2012 года на заседании диссертационного совета Д 223.011.02 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: ГСП-3, 125993, г. Москва, Кронштадтский бульвар, дом 20.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУ ГА. Автореферат разослан «¿^» 2012 года

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

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.011.02 Доктор технических наук КолядовД. В.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы

Спутниковые системы навигации и связи являются весомым достижением научно-технического прогресса. Их конструктивные особенности -глобальность действия и неограниченная пропускная способность. Использование цифровых технологий наделило спутниковые системы высокой точностью и надежностью, что является одним из основных требований современного потребителя. При этом из общего списка спутниковых систем необходимо выделить спутниковые радионавигационные системы (СРНС), позволяющие обеспечивать глобальную навигацию воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА).

Согласно концепции ICAO CNS/ATM спутниковые навигационные системы являются основным средством навигации ВС ГА. В настоящее время функционируют две СРНС - Global Position System (GPS) и Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС). СРНС используются в различных сферах деятельности человека, как но прямому назначению, обеспечивая решение задач навигации, так и для решения ряда научных задач, таких, например, как исследование среды распространения навигационного сигнала. В качестве источника навигационного сигнала СРНС используют сеть навигационных космических аппаратов (НКА), объединенных в орбитальную группировку.

НКА обеих систем излучают фазоманипулированные (ФМ) сигналы в частотных диапазонах L1 и L2. Прием сигналов навигационной аппаратурой потребителя (НАП) на двух частотах позволяет получить координаты с высокой точностью. Однако следует отметить, что гражданская авиация не имеет доступа к сигналу в диапазоне L2, поэтому ВС ГА в качестве основного навигационного средства используют одночастотную НАП, позволяющую получать навигационные услуги стандартной точности.

Внедрение в систему управления воздушным движением (УВД) элементов концепции ICAO CNS/ATM требует повышения качества навигационного обеспечения ВС. Применительно к СРНС это означает необходимость повышения точности позиционирования, целостности и надежности.

Требования к точности навигационного обеспечения на каждом этапе полета ВС различны. При полетах по маршруту и некатегорийном заходе на посадку точность определения координат в стандартном режиме работы СРНС удовлетворяет требованиям Российского радионавигационного плана (РРНП). Для решения задач категорийной посадки ВС с помощью СРНС необходимо повышать точность определения пространственных координат посредством уменьшения погрешностей позиционирования СРНС.

Погрешности СРНС можно разделить на три группы:

- погрешности, связанные с качеством навигационного сигнала;

- погрешности, связанные с несовершенством НАП;

- погрешности, вносимые средой распространения сигнала.

Ошибки I и II групп компенсируются путем совершенствования оборудования и модернизации алгоритмов обработки навигационного сигнала.

Компенсация ошибок III группы, к которым относятся ионосферная и тропосферная рефракция, а также многолучевое распространение, является сложной и актуальной задачей. Установлено, что основной вклад в погрешности III группы вносит ионосфера Земли. Основной характеристикой ионосферы, влияюшей на параметры навигационного сигнала (НС), является полное электронное содержание (ПЭС). Под ПЭС здесь и далее будем понимать количество электронов в столбе единичного сечения, соединяющего НКА и НАЛ. Величина ионосферной погрешности пропорциональна ПЭС и включает в себя фазовое опережение и групповую задержку, доплеровский сдвиг частоты, вращение плоскости поляризации радиоволны. Величина ПЭС зависит от сезона, времени суток, уровня геомагнитной и солнечной активности. Кроме того, имеются пространственные вариации значений ПЭС.

Имеющиеся методы компенсации ионосферной погрешности в разной степени устраняют регулярную составляющую вариаций ПЭС в ионосфере.

Метод моделирования трассы распространения сигнала предполагает использование модели ПЭС для расчета текущих значений ионосферной погрешности вдоль трассы «НКА-НАП». В СРНС GPS для этой цели используется эмпирическая модель Клобучара. Остаточная погрешность ионосферной задержки при использовании данной модели составляет 43-^67%.

Метод избыточных одночастотных измерений предполагает измерение сигналов от более чем 8-ми НКА. За счет усреднения пространственных характеристик ионосферы можно достичь значительного (до 50%) снижения

ионосферной погрешности.

Двухчастотный метод основан на том, что навигационные сигналы, излучаемые одним НКА на частотах L1 и L2, принятые двухчастотным приемником, испытывают практически одинаковое преломление в ионосфере. Поэтому вычитание псевдодальностей, измеренных по этим сигналам одним и тем же приемником, практически полностью исключает погрешность I и III групп. Метод компенсирует до 95% ионосферной задержки, однако наиболее затратен из-за использования дорогостоящей двухчастотной НАЛ.

Намного сложнее прогнозировать вариации ионосферной погрешности в периоды восхода или захода Солнца и во время возмущений околоземного пространства. Амплитуда и фаза НС в этом случае испытывают нерегулярные флуктуации, что приводит к значительному ухудшению точности определения координат потребителя. В отдельных случаях наблюдается срыв слежения за сигналами НКА, что приводит к сбою в работе СРНС.

Повышение эффективности применения СРНС, а также качества их функционирования, требует получения достоверных и оперативных знаний о пространственно-временном распределении ПЭС в различных точках земной поверхности. Пионерскими в этом направлении являются труды группы иркутских ученых под руководством профессора Э. JI. Афраймовича, в которых исследованы причины флуктуаций амплитуды и фазы сигналов СРНС в раз-

личных областях ионосферы и установлено, что во время ионосферных возмущений срыв слежения за сигналом СРНС на основной частоте L1 происходит на порядок реже, чем на частоте L2.

Повысить точность определения пространственных координат ВС ГА с одночастотной НАЛ на борту можно путем реализации дифференциального режима работы СРНС, при котором вычисляются единые для всех потребителей дифференциальные поправки, учитывающие погрешности СРНС I и III группы, и для которых в дальнейшем будем использовать термин «навигационная погрешность». Однако хорошо известно, что в дифференциальном режиме требуется знание точных координат наземной станции, определяющей навигационную погрешность. Кроме того, эффективность компенсации навигационной погрешности падает с ростом расстояния от НАП до этой станции, а её стоимость неоправданно высока.

В этой связи представляет интерес использование одночастотной НАП GPS для определения навигационных погрешностей в режиме реального времени путем организации сети измерительных пунктов в зоне аэродрома.

Таким образом, задача определения навигационной погрешности с использованием одночастотных приемников СРНС является актуальной. Эта актуальность усиливается тем, что определение навигационных погрешностей с помощью приемников такого класса не требует больших финансовых вложений для организации измерительных пунктов, вычислительных ресурсов и создания центров для хранения и обработки полученных данных.

Целью работы является повышение точности навигационного обеспечения ВС ГА на этапе полета в зоне аэродрома и категорийного захода на посадку с помощью наземной сети измерительных пунктов, в состав которых входят одночастотные приемники GPS.

Для достижения поставленной цели были решены следующие задачи:

1. Проведен анализ погрешностей СРНС, обусловленных средой распространения сигналов НКА и требований к навигационному обеспечению ВС ГА при реализации концепции ICAO CNS/ATM, предполагающей в качестве основы подсистемы навигации глобальные СРНС.

2. Разработана и апробирована методика непосредственного измерения навигационных погрешностей СРНС с помощью одночастотной НАП;

3. Проведена серия одно- и многопозиционных измерений навигационных погрешностей СРНС с помощью одночастотной НАП GPS;

4. Выполнена оценка эффективности методики определения навигационных погрешностей СРНС с помощью одночастотной НАП;

5. Определено оптимальное по критерию некоррелированности погрешностей в принимаемых сигналах расстояние между одночастотными приемниками, входящими в состав измерительных пунктов, используемых для формирования поля навигационных ошибок;

6. Определена оптимальная геометрия созвездия НКА, участвующих в формировании поля навигационных погрешностей, по критерию высокой вероятности сбоя при приеме сигнала в режиме реального времени.

Объект исследования - нерегулярные флуктуации навигационной погрешности GPS при полете ВС ГА в зоне аэродрома.

Предмет исследования - высокоточное определение местоположения ВС ГА с помощью организации сета измерительных пунктов с применением одночастотной НАЛ GPS.

Методы исследования: теоретические и эмпирические методы исследования ионосферы, системный анализ, численные методы, пакеты прикладных математических и навигационных программ, методы программирования на языках высокого уровня, экспериментальные исследования с помощью специализированного навигационного оборудования.

Научная новизна работы

1. Впервые применена методика определения навигационных погрешностей СРНС с помощью одночастотной НАЛ GPS для повышения точности навигационного обеспечения ВС ГА при полете в районе аэродрома и категорийном заходе на посадку.

2. Проведены обширные экспериментальные исследования вариаций навигационных погрешностей СРНС в зависимости от сезона, времени суток, уровня геомагнитной и солнечной активности с помощью одночастотной НАЛ GPS.

3. Определены минимальные расстояния между одночастотными приемниками, входящими в состав измерительных пунктов, используемых для формирования поля навигационных погрешностей в одномерном и двумерном случае их размещения;

4. Определен максимальный угол маски НКА, при котором возможно использование его сигнала при формировании поля навигационных погрешностей.

Практическая значимость работы состоит в том, что её результаты позволяют:

1. Определять вариации навигационных погрешностей в районе аэродрома с помощью сети измерительных пунктов, оборудованных одночастотной НАЛ GPS с высоким пространственно-временным разрешением (по времени ~1 сек, по расстоянию ~1 м).

2. Повысить точность навигационного обеспечения ВС ГА с помощью одночастотной НАЛ GPS до значений, требуемых РРНП при полете в районе аэродрома и категорийном заходе на посадку.

3. Обеспечить требуемый уровень безопасности полетов посредством по-

вышения точности навигационного обеспечения ВС ГА при полете в районе аэродрома и категорийном заходе на посадку.

Основные положения, выносимые на защиту:

1. Аппаратно-программное обеспечение методики вычисления навигационной погрешности с помощью одночастотной НАЛ GPS.

2. Экспериментальное подтверждение эффективности методики определения навигационных погрешностей СРНС с помощью одночастотной HAIIGPS.

3. Методика и результаты эксперимента по определению оптимального по критерию некоррелированности навигационных погрешностей расстояния между одночаетогными приемниками, входящими в состав измерительных пунктов в одно- и двумерном случаях их размещения.

4. Методика и результаты эксперимента по определению максимального угла маски навигационных спутников, используемых для формирования поля навигационных погрешностей.

Достоверность результатов полученных в диссертационной работе, подтверждается согласованностью результатов теоретических расчетов, математического моделирования и экспериментальных исследований, проведенных с помощью серийно выпускаемой одночастотной НАЛ GPS и применении апробированных программных продуктов. Достоверность результатов, полученных по методике определения навигационной погрешности с помощью одночастотной НАЛ GPS, подтверждается измерениями от глобальной сети базовых станций GPS, использующих двухчастотную НАЛ.

Личный вклад автора

Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат:

1. Разработка аппаратно-программного обеспечения методики определения навигационных погрешностей СРНС с помощью одночастотной HAnGPS.

2. Непосредственное проведение всех экспериментов по:

- подтверждению эффективности методики определения навигационных погрешностей СРНС;

- определению минимального расстояния между одночастотными приемниками, входящими в состав измерительных пунктов в одно- и двумерном случаях их размещения;

- определению максимального угла маски НКА, используемых для формирования поля навигационных погрешностей.

3. Обработка экспериментальных данных с использованием разработанного автором программного обеспечения.

4. Анализ и интерпретация полученных результатов.

Апробация и публикация работы

Основные результаты и выводы, проведенных исследований, докладывались и обсуждались на международных и всероссийских конференциях:

- Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике БШФФ-2006 «Физические процессы в космосе и околоземной среде», Иркутск, 2006;

- Международной Байкальской молодежной научной школе по фундаментальной физике БШФФ-2007 «Современные проблемы в астрофизике и физике космической плазмы», Иркутск, 2007;

- XV Всероссийской научно-технической конференции «Проблемы повышения боевой готовности, боевого применения, технической эксплуатации обеспечения безопасности полетов летательных аппаратов с учетом климатогеографических условий Сибири, Забайкалья и Дальнего Востока», Иркутск, 2007 год;

- Всероссийской научно-практической конференции «Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения», ВАИУ, г. Воронеж 2009, 20 межвузовской научно-практической конференции «Перспектива 2010»;

- IX Всероссийская научно-техническая конференция «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н. Е. Жуковского», г. Москва, 2010 год;

- Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения», ВАИУ г.

Воронеж, 2011, ^^

а также на семинарах кафедры АРЭО Иркутского филиала МГТУ 1А и кафедры радиофизики физического факультета Иркутского государственного университета.

Внедрение результатов

Результаты диссертационной работы внедрены в Иркутском филиале МГТУ ГА, Высшем военном авиационном университете (г. Воронеж) и ЗАО научном - внедренческом предприятии «Протек» (г. Воронеж), что подтверждено соответствующими актами.

Публикации

По материалам диссертации опубликовано 17 работ, из которых 11 включены в издание, входящее в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации.

Структура и объем работы

Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения, списка использованных источников из 138 наименований. Общий объем диссертации 181 страница, включая 15 таблиц, 74 рисунка и 4 приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, отражена актуальность темы исследования, сформулированы цели и задачи исследования, изложена структура диссертации.

В первой главе изложены общие сведения о спутниковой радионавигационной системе GPS. Рассмотрен состав навигационной системы GPS, ее назначение и технические характеристики, принципы

функционирования системы, структура радионавигационных сигналов, методы решения навигационной задачи и измерения псевдодальности по кодовым и фазовым наблюдениям.

Рассмотрены основные факторы, оказывающие влияние на функционирование GPS.

Описаны основные погрешности GPS, влияющие на точность определения позиционирования погрешность позиционирования НАЛ НАЛ. Перечислены погрешности,

вносимые средой при распространении НС вдоль траектории «НКА-НАП», приведены методы их определения. Показано, что основной вклад в погрешность координатных определений СРНС GPS вносит ионосферная погрешности (Рис. 1).

Во второй главе описана математическая модель, позволяющая компенсировать регулярную часть навигационной погрешности, а также методика определения флуктуационной части навигационной погрешности GPS на основе псевдофазовых измерений с помощью одночастотных приемников. Представлено физико-математическое обеспечение данной методики, которое базируется на возможности определения значений ПЭС вдоль траектории распространения с помощью анализа параметров радионавигационного сигнала, прошедшего ионосферу.

Набег фазы, возникающий при распространении радиосигнала вдоль линии «НКА-НАП», определяется выражением:

Ъ , (1)

где с - скорость распространения электромагнитной волны в пространстве (с = 2.998*10 м/с ); А и В - отрезок соединяющий антенны НАЛ и НКА соответственно; - неизвестная начальная фаза.

Как известно в упрощенном виде показатель преломления среды распространения сигнала GPS имеет вид

-с" #

/ # />

5% 2% 3%

66%

ионосферная рефракция

Рис. 1. Вклад различных факторов в

•¿у 7

а выражение для фазового пути:

н

Ь, = • (3)

А

Здесь интегрирование ведется вдоль траектории распространения от антенны НАЛ А до антенны НКА В, - показатель преломления в текущей точке траектории. После преобразования показателя преломления запишем формулу (3) в следующем виде:

г 2е0тсса- \

Рассмотрим упрощенную модель распространения сигнала НКА и проинтегрируем концентрацию электронов в единичном сечении на пути «НКА-НАП», чтобы получить ПЭС (5):

I

ТЕС = {Ш, (5)

о

где TEC -(total electron content) - полное электронное содержание в единицах TECU (1016 м'2). Так, при частоте/=1,6 ГГц, величине ПЭС, равной 1 TECU, соответствует ионосферная задержка Atim= 0,542 не и приращение группового (фазового) пути ALion= 0,162 м. Подставив (5) в (4), получим следующее выражение:

е' ,*ТЕС. (6)

Если исключить из выражения (6) значение истинного (геометрического) расстояния Ьы до НКА, то получим численное значение ионосферной поправки, пропорциональное ПЭС (7):

AL = ———тхТЕС, (7)

2e0mtm

Таким образом, зная вариации фазы несущей, несложно определить значение ПЭС, величина которой пропорциональна ионосферной погрешности. В реальных условиях формула (7) определяет суммарную погрешность I и III групп, которая ранее была определена как навигационная. Кроме того, при определении навигационной погрешности появляется проблема устранения аппаратных флуктуаций сдвига шкалы времени часов НАЛ.

Для фазы несущей радиосигнала одного НКА решить данную задачу не удается. Однако установлено, что разность фаз несущей радиосигнала от двух НКА сдвига шкалы времени НАП уже не содержит, что позволяет устранить соответствующие аппаратные флуктуации. Запишем фазовый путь (6) радиосигнала от НКА с номером к в следующем виде:

(8)

где: Ьы.к - истинное геометрическое расстояние до k-го НКА;, Ik - навигационная поправка, представляющая собой наклонное ПЭС вдоль радиолуча,

10

приведенное к единицам длины; 5к - малая добавка, включающая тропосферная поправку, задержку в антенно-фидерных трактах и т. д., которую в дальнейшем не будем учитывать; Ск - постоянная для данного сеанса измерений величина, значение которой неизвестно.

Измеряя разность фазовых путей для двух НКА р и g, а также зная истинное расстояние до НКА, можно найти следующую величину:

IK=Lb.„-L,s,,-LFp-LF!;+C. (9)

Константа С выбирается таким образом, чтобы в начальный момент времени величина Ipg равнялась нулю. Тогда в дальнейшем величина Ipg, как функция времени, представляет собой изменение одной наклонной навигационной поправки относительно другой. Максимальный вклад в величину Ipg дает область высот в районе высоты максимума электронной концентрации в ионосфере 300 км. Определим подионосферную точку как проекцию на поверхность Земли точки пересечения траектории распространения радиолуча «НКА-НАП» на высоте h=300 км, рис. 2. Подионосферные точки, образованные радиолучами видимых НКА, мотут находится в существенно разных условиях, относительно значения ПЭС и расположены на расстоянии тысяч километров друг от друга.

Известно, что значение навигационной погрешности СРНС днем составляет десятки метров, ночью несколько метров. Следовательно, можно рассчитывать наблюдать значения величины Ipg в десятки метров в условиях, когда подионосферная точка находится на границе смены суток, а так же в условиях возмущенного околоземного космического пространства (ОКП). Таким образом, можно ожидать увидеть во временном ходе разностной навигационной поправки (РНП) некий регулярный тренд и на его фоне более короткопериодические и более слабые флуктуации, если таковые присутствуют. Неопределенность, к какой из двух подионосферных точек следует привязать возмущение, решается путем перебора величин с другими НКА, видимыми в сеансе измерений (Ipk, 1Рь IPz> Ipn и т.д.).

Описаны основные и используемые протоколы обмена данными и представлено программное обеспечение, позволяющее получать из одночас-тотного НАЛ бинарные файлы и генерировать первичные данные в формате Rinex с временным разрешением одна секунда. Описана структура полученных файлов форматов Rinex Data, Rinex Nav, а так же последовательность

Рис. 2. Формирование подионосферной точки НС на пути «НКА-НАП»

обработки данных и программы статистической обработки оценки навигационной поправки.

Представлен состав оборудования наблюдательных измерительных пунктов (НИП) и технические характеристики используемых приборов.

В главе показаны результаты экспериментального подтверждения работоспособности методики определения флуктуационной части навигационной погрешности с помощью одночастотных приемников GARMIN GPS V и GARMIN GPS П1- Измерения проводились в период с 21.12.2006 года по 22.12.2010 года. Для расчета псевдодальностей, использовались только наблюдения фазы несущей, так как из-за сильной зашумленности кодовые измерения псевдодальности оказались не информативны.

Обработка результатов первых наблюдений, показали, что в большинстве случаев временной ход РШТ представляет собой плавную кривую без каких-либо заметных «на глаз» особенностей. Численные величины поправки соответствовали ожидаемым значениям порядка метров-гдесятков метров. Типичный вид временного хода РНП без возмущений для пары спутников №2-№4 (17.30+20.00 LT, 21.12.06 г.) показан на рис. 3. LT - местное время.

Рис. 3. РНП для пары НКА №2-№4 Рис. 4. РНП для пары НКА №12-№30

В ряде сеансов наблюдался временной ход РНП с возмущением в виде «ступеньки» (РНП №12-№30, 17.30+20.00 LT, 23.12.06 г.) рис. 4. Наблюдения показали, потеря фазы в приемниках GARMIN GPS V возникает несколько раз в сутки, даже в спокойных гео - гелиофизических условиях.

Дальнейшие исследования были направлены на анализ слабых корот-копериодических флуктуаций РНП. На рис. 5 представлен временной ход РНП для пары спутников №2-№24 со слабыми нерегулярными флуктуация-ми (07.30+09.40 LT, 29.04.07г.) случайного характера. Следует отметить, что

" 1(2-24) - Ют

150 min

Рис. 5. Временный ход РНП для пары спутников №2-№24

выбран сеанс и пара спутников, для которых вариации выражены наиболее ярко - сеанс далеко не типичный, в большинстве других измерений флуктуа-

ции РНП проявляются существенно слабее, но именно эти флуктуации явились объектом дальнейших исследований.

Рис. 6. РНП для пары спутников №12-№28 до (слева) и после (справа) удаления тренда

На рис. 6 в левой части показан временной ход РНП в одном из типичных сеансов (12.30 - 14.00 ЦТ, 17.10.07 г.) для пары спутников №12 - №28. В правой части представлен ход флуктуации после удаления тренда. Видно, что типичные значения короткоперио-дических флуктуаций РНП составляют величину порядка нескольких сантиметров. Наблюдается квазипериодический характер вариаций.

Рис. 7. Автокорреляционная функция

Рис. 8. Спектр сигнала

Был выполнен корреляционный анализ РНП НКА №12-№28. На рис. 7 представлена нормированная на дисперсию автокорреляционная функция (АФ) сигнала К(г), представленного на рис.6. Предполагается стационарность процесса так, что аргумент АФ I здесь представляет собой сдвиг по времени.

Из рис. 7 видно, что в процессе присутствует хорошо выраженная периодическая составляющая сТ~ 240 секунд. Спектральный анализ флуктуационной части временного хода РНП показал, что в сигнале присутствует ярко выраженная интенсивная спектральная линия на частоте около 0,004 Гц, рис. 8.

Для проверки работоспособности методики необходимо было убедиться в том, что наблюдаемые флуктуации не вызваны следствием аппаратных сбоев, шумами и помехами в самом приемнике. Синхронные наблюдения по времени за временными ходами РНП в двух наблюдательных пунктах А и Б для пар спутников №5-№14, №21-№26 с удаленным трендом (18.30-^21.16 ЬТ, 4.04.08г.), представлены на рис. 9. На рис. 10 представлены кросс-корреляционные функции для рассматриваемых двух пар спутников и двух пунктов наблюдения. Несдвинутые коэффициенты корреляции между пунктами наблюдения составляют 0.95 и 0.98 для указанных пар, соответственно.

13

, { <

(г' V

АдД.

ту

Рис. 9. Синхронные измерения РНП в пунктах А и Б

Точность измерения

флуктуаций оценивается

величиной не хуже нескольких дециметров.

Из рис. 10 видно, что кросс - корреляционные функции со сдвигом % показывают наличие

периодических составляющих с периодами, близкими к 240 сек. Максимум корреляции имеет место при нулевом значении сдвига времени 1,

следовательно, вариации

наблюдаются в двух пунктах синфазно, по крайней мере, с точностью до шага временного разрешения. Временная

дискретизация во всех представляемых результатах составляет 30 секунд. Таким образом, если вариации ионосферной поправки обусловлены неоднородностями электронной

концентрации в ионосфере, то возможная горизонтальная скорость их перемещения в направлении, - - , ■ -:с ~ „г< соединяющем пункты А и Б, РисЛ0. Кросс - корреляционные существенно меньше 100 м/с. ( расстоя- функции сигналов

ние между НИЛ А и Б около 4 км.)

Для статистической оценки спектров РНП были проведены 15-часовые сеансы наблюдений в трех смежных сутках в периоды летнего солнцестояния, осеннего равноденствия и зимнего солнцестояния. Для иллюстрации на рис. 11 представлены энергетические спектры Зф вариаций РНП (в условных единицах) для зимнего дня 13.00-14.00 ЬТ, 22.12.08 г. и зимнего вечера -19.00-20.00, 22.12.08 г.

Рис. 11. Энергетические спектры вариаций РНП

Выполненное интегральное усреднение спектров вариаций РНП по всем сезонам и по времени суток, представлено на рис. 12. Во многих радиофизических приложениях широко используется концепция представления

14

высокочастотной части спектра степенной функцией частоты и длины волны. Спектр РНП показанный на рис. 12, в области f > 4мГц имеет аппроксимацию: ^^) = cif t что в целом соответствует аппроксимациям, полученным при исследований вариаций ПЭС, которому пропорциональна РНП.

Далее в главе выполнен анализ суточных ходов вариаций РИЛ в различных сезонах, показано, что относительная возмущенность ОКП, ночью гораздо выше, чем днем. Данное обстоятельство качественно согласуется с многочисленными исследованиями суточного хода вариаций ПЭС с использованием двухчастотных приемников GPS.

Достоверность полученных результатов, подтверждают работоспособность методики и позволяют сделать следующие выводы:

- разработанная методика позволяет уверенно детектировать слабые корот-копериодические вариации РНП;

- по результатам многочисленных измерений установлено, что максимум спектра флуктуапий РНП лежит в области частот 3+5 мГц;

- короткопериодические вариации РНП в средних широтах при умеренной солнечной активности не имеют явно выраженного суточного хода.

so ■ 2

во

70

ео

О 6 10 15 f мГц

Рис. 12. Усредненный спектр РНП

траектория перемещения и точки измерении приемника "Ь"

В третьей главе полученные выше результаты использованы для решения проблемы повышения точности навигационного обеспечения ВС ГА в районе аэродрома. Обоснована возможность компенсации навигационной погрешности СРНС в районе аэродрома с помощью одночастотной НАЛ GPS. Предложен вариант функционального дополнения GPS в виде сети навигационных измерительных пунктов, оснащенных одночастотной НАЛ, реализация которого не требует больших материачьных затрат.

В состав измерительного пункта может входить несколько приемников, что повышает точность и надежность формирования корректирующей информации. В главе выполнены экспериментальные исследования, позволяющие определить конфигурацию поля навигационной погрешности при одно- и двумерном вариантах размещения НАЛ в измерительных пунктах.

Геометрия экспериментов основана на методе разнесенного приема, заложенного в принцип работы фазовых интерферометров. Для определения оптимального с точки зрения качества приема сигнала расстояния между антеннами двух НАЛ при их одномерном размещении в измерительном пункте

\

мссто установки приемника

Рис. 13. Схема экспериментов 03.04.2007г. и 07.04.2007г. (г. Иркутск, 15.00 - 16.00 местного времени)

вблизи ВПП аэродрома, проведён эксперимент, схема которого показана на рис. 13.

На рис. 14 и 15 представлены результаты эксперимента при разнесёнии одночастотной НАЛ на расстояния а - b = 5L и 50L.

Псевдодальносга до НКА от фазового центра антенн первой и второй НАЛ а и Ь, связаны с истинным расстоянием выражениями:

RroMa = Ra + A.R®Mb = R<, + A = Ra+RraB + A, (10)

где RroM „ Rh3m ь - измеренные псевдодальности; Ra, Rb - истинные расстояния; Rh3b - известная величина, определяемая расстоянием между а и b антеннами приёмников GPS; А - погрешность измерения дальности, связанная с распространением сигнала через ионосферу и тропосферу.

приемник А ГО7 üil'C7)

gi: SIÍ «г: «о

№ШР tní »«(И

Рис. 14. Качество приема НС GPS (07.04.07, а - b = 5L)

№ «te «t *&

9>l*piBTl»B

приемки* 6 'P3.0i.2C07|

<Э5 <ST <А «JtO GW '5Й -XA «506

Рис. 15. Качество приема НС GPS (03.04.07, a- b = 50L)

Система из двух уравнений (10) содержит два неизвестных Ra и Д, которые определяются известными методами решения систем линейных алгебраических уравнений. Значение Д будет различным для приёмников а и Ь, если они разнесены между собой на достаточное большое расстояние порядка 10...100 X, где X - рабочая длина волны. Коэффициент корреляции составил Ка-b^L = 0-98 и Ka_b=50L = 0.22 соответственно. Данное обстоятельство говорит о некоррелированности атмосферных погрешностей определения псевдодальностей при увеличении разноса антенн НАЛ более чем на 5L

Для более точного определения расстояния между антеннами приемников GPS, при котором принятые радиосигналы от НКА можно считать некоррелированными, выполнен аналогичный эксперимент для значений а - b = 1L, 2L, 3L, 4L, 5L, 6L, 7L, 10L, 50L, 100L. На рис. 16 приведен коэффициент парной корреляции уровней радионавигационных сигналов.

Из рис. 16 видно, при значении больше а - b = 7L между антеннами приемников GPS, коэффициент парной корреляции значительно уменыпает-

16

ся, что говорит о некоррелированности погрешностей, вносимых средой распространения радионавигационного сигнала.

II 11лх

1Я 2Я ЗА АХ 5Я 6Я 7Х № ЯЛ 100Л. Расстояние меяяу антеннами приемников

Рис. 16. Коэффициент парной корреляции для эксперимента 14.07.2007г.

5

>£ 1.5

|0.5

-31. —41 -51. ' -61-7 С;

Время в минутах

Рис. 17. Значение относительной ошибки радиальной скорости НКА

Выполнены и представлены на рис. 17 расчеты относительной ошибки радиальной скорости НКА (в %) относительно антенн приемников. Показано, что при а - Ь = 5Ь ошибка определения скорости не превышает 0.5 %. Следовательно, оптимальное расстояние между антеннами приемников с точки зрения коррелированности погрешностей вносимых средой распространения

будет сохраняться до а - Ь = 5Ь. п, „,,.........

Для определения оптимального расстояния между НАЛ в измерительном пункте при организации сети, формирующей двумерное поле навигационных погрешностей в зоне аэродрома, был выполнен эксперимент по схеме, представленной на рис. 18. Устойчивый приём (100% принятых сигналов от спутника за время измерений) достигался от 6...9 спутников рабочего созвездия, порог приёма сигнала определялся на уровне пяти по десятибалльной шкале градации уровня сигнала. Во вре-

Рис. 18. Схема эксперимента 8.07.2010 г. (г. Воронеж, 17.00 - 20.00 местного времени)

мя наблюдений имело место пропадание сигнала от НКА то на одном, то на другом приёмнике, что непосредственно связано с условиями распространения радиоволн на пути «НКА-НАП». В таблице №1 приведены значения коэффициентов парной корреляции для трех измерительных пунктов, расположенных в соответствии со схемой, представленной на рис. 18.

Видно, что при расположении антенн НАЛ на расстоянии (0,5-^-10)1 коэффициент парной корреляции не меньше, чем 0.587-ь1. Достаточно сильная корреляция объясняется взаимным влиянием антенн НАЛ. Коэффициент парной корреляции уменьшается до нуля при расстоянии между антеннами

НАЛ больше 201, что говорит о независимости вносимых атмосферой Земли погрешностей в данном случае.

Размещение, L Kab Кас Kcb

0,5 1 1 1

1 0,773 1 0,741

2 0,587 0,728 0,865

3 0,79 0,86 0,913

4 0,821 0,983 0,999

5 0,985 0,983 1

10 0,824 0,82 0,999

15 0,67 0,613 0,98

20 0 0 0

25 0 0 0

Проведенный эксперимент показывает, что расстояние между НАЛ. в измерительном пункте не должно превышать 20 X по критерию некоррелированности навигационных погрешностей.

На следующем этапе исследований был проведен с целью выявления зависимости СКО ошибки измерения значения координат НАЛ GPS от взаимного расположения их антенн. Исследования были проведены по схеме, представленной на рис. 19

Рис. 19. Схема эксперимента 8.07.10 г, г. Воронеж, 17.00-20.00.

На рис. 20 представлены результаты вычислений зависимости СКО ошибки координат ВС ГА от расстояния между антеннами НАП. Видно, что минимальное значение СКО наблюдается при расстоянии между антеннами НАП 0,5 X. Полученные результаты качественно согласуются с характеристиками перспективных высокоточных помехозащищенных навигационных приемников, в состав которых входят многоэлементные антенные системы (GAS-1) фирмы Raytheon (Raytheon Systems Limited) и GSTAR фирм Lockheed Martin и Rockwell Collins. Данные антенные системы имеют в своем

составе цифровой

»южм , компенсатор помех

MIDAS, в котором расстояние между

элементами антенны равно 1/2 длины волны диапазона L1.

Далее в главе проведены экспериментальные

Рис. 20. Значение СКО ошибки измерения значения координат НАП GPS t8

исследования зависимости вероятности сбоя фазы радиосигнала НКА от внешних условий. В спокойных условиях в 50% случаев срыв слежения за фазой радионавигационного сигнала в НАЛ, работающей на основной частоте//, происходит при углах места НКА порядка 5-10°. В возмущенных усло-

виях срыв слежения за фазой радиосигнала НКА происходит чаще, что приводит к пропускам фазовых и кодовых измерений. В результате увеличивается погрешность

позиционирования НАЛ. Целью данной части диссертационной работы является исследование регулярных вариаций сбоя фазы в сигнале, принятом от СРНС GPS.

Проведен ряд измерений фаз принимаемых радиосигналов от НКА и рассчитаны зависимости вероятностей сбоев фазы в принятом сигнале GPS от зенитного угла (ЗУ) НКА, времени суток и 21 представлены значения вероятности сбоя фазы сигнала НАЛ в зависимости от ЗУ НКА, усредненной по всем наблюдениям. Результаты, представленные на рис. 21, показывают, что до ЗУ < 60 , что соответствует углу места НКА > 30 , вероятность сбоя фазы не превышает 10%, что согласуется с имеющимися данными. При увеличении значения ЗУ > 70° вероятность срыва слежения за фазой радионавигационного сигнала увеличивается по экспоненциальному закону и достигает 50%.

На рис. 22

представлена зависимость распределения вероятности фазовых сбоев в суточном ходе при усреднении по всем углам НКА. Из рисунка видно, что существует заметное увеличение

вероятности фазовых сбоев сигналов GPS в ночное время по сравнению с дневными условиями. Это связано с соответствующими

Р 70

Рис. 21. Вероятность сбоя фазы сигнала в зависимости от ЗУ НКА, усредненная по всем наблюдениям

Рис. 22. Зависимость вероятности сбоя фазы от местного времени

| Акгбчна ЬППД БРИЗ БОИ —4 Индикатор |

Ог.нсчасгог/ ая НАП ?П?/.П |

Г"1

М РЧ;'П л' ©ЧИП

корр NOO&tfc.

Рис. 23. Одночастотная НАЛ с дополнением и замещением СА на основе модели Клобучара

суточными изменениями величины ПЭС в ионосфере.

На основе результатов выполненных исследований предложены две структурные схемы одночастотной НАЛ, входящей в состав измерительного пункта, рис.23. В первой схеме стандартный алгоритм (СА) компенсации регулярной части ионосферной погрешности (РЧИП), основанный на модели Клобучара, дополняется разработанной в диссертации методикой компенсации флуктуационной части ионосферной погрешности (ФЧИП). Во второй схеме СА замещается модулем расчета РЧИП на основе модели ионосферы, описанной в главе 2, совместно с модулем ФЧИП, за счет чего достигается улучшение точности определения координат ВС ГА до величины 1 ...2 м, что удовлетворяет требованиям ICAO по организации категорийной посадки.

Полученные результаты позволяют сделать следующие выводы:

- при формировании поля навигационных погрешностей с помощью сети измерительных пунктов расстояние между антеннами НАП при одномерном размещении должно быть d)2 > 51, при двумерном - d,2 > 25л. (где 51=0,192 м) для исключения взаимного влияния приемных антенн и некоррелированности навигационных погрешностей;

- применение трех антенных систем с размещением их на расстоянии 0.5 к друг от друга позволяет получить наименьшее СКО погрешности определения координат НАП;

- для повышения надежности функционирования одночастотной НАП GPS в алгоритм работы приемника необходимо вводить ограничения по использованию сигнала от НКА с зенитным углом > 70 ;

- предложенные структурные схемы одночастотной НАП с дополнением и замещением СА модулями ФЧИП и РЧИП позволяют определять координаты ВС ГА в районе аэродрома с точностью ~ 1 м.

В заключении сообщается, что цель диссертационной работы достигнута, а выполненные исследования позволили сделать следующие выводы:

1. Разработано программно-алгоритмическое обеспечение, позволяющее проводить обработку первичных данных с целью получения текущих и статистических пространственно - временных характеристик навигационных погрешностей в различных геофизических условиях;

2. Выполнены многочисленные однопозиционные и многопозиционные измерения навигационной погрешности одночастотной НАП GPS;

3. Установлено, что разработанная методика определения флуктуационной части навигационной погрешности, использующая одночастотную НАП, позволяет уверенно детектировать её слабые короткопериодические вариации;

4. Предложена оптимальная по критерию некоррелированности навигационных погрешностей схема сети навигационных измерительных пунктов, формирующих поле навигационных погрешностей в районе аэродрома;

5. Определена оптимальная геометрия созвездия НКА GPS, участвующих в формировании поля навигационных погрешностей, по критерию высокой вероятности сбоя при приеме радиосигнала в режиме реального времени;

6. Разработаны и апробированы структурные схемы одночастотной НАЛ с дополнением и замещением стандартного алгоритма компенсации ионосферной погрешности.

Благодарности

Автор искренне благодарит своего научного руководителя д.т.н., доцента O.A. Горбачева, а так же д.ф.-м.н., профессора В.Б. Иванова, д.т.н.,

профессора Е.Е. Нечаева, д.т.н., профессора О.Н. Скрыпника за помощь в организации экспериментов и полезные дискуссии.

По содержанию диссертации опубликованы следующие работы

1.В изданиях, входящих в перечень изданий, рекомендованных ВАК для опубликования основных научных результатов диссертации:

1.1. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы // Научный вестник МГТУ ГА №107, М: МГТУ ГА, 2006.

1.2. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приемников GPS для диагностики ионосферы (часть II) // Научный вестник МГТУ ГА №117, серия «Радиофизика и радиотехника», М.: МГТУ ГА, 2007.

1.3. Горбачев O.A., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. О применении двух одночастотных приемников GPS для воздушных судов гражданской авиации // Научный вестник МГТУ ГА №126, серия «Радиофизика и радиотехника», М.: МГТУ ГА, 2008.

1.4. Горбачев O.A., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. К вопросу о размещении двух одночастотных приемников GPS на воздушных судах гражданской авиации // Научный вестник МГТУ ГА №126, серия «Радиофизика и радиотехника», М.: МГТУ ГА, 2008.

1.5. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностики флуктуаций полного электронного содержания в ионосфере по измерениям одночас-тотными приемниками GPS: сб. научн. Тр. «Солнечно-земная физика». -Изд-во Сибирского отделения РАН, 2010. - Вып. 13 (126).

1.6. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. Вариации полного электронного содержания по измерениям на одночастотных приемниках GPS // Научный вестник МГТУ ГА №159 (9), М.: МГТУ ГА, 2010, с. 86-94.

1.7. О. A. Gorbachev, V. В. Ivanov, P.V. Ryabkov. Fluctuations of Total Electron Content in the Ionosphere as Deduced from Measurements by SingleFrequency GPS Receivers // Geomagnetism and Aeronomy, 2010, Vol. 50, № 7 (Special Issue 1), pp. 868-872.

1.8. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В., Хазанов Д.В. Статистика фазовых сбоев сигналов GPS по измерениям на одночастотных приемниках // Научный вестник МГТУ ГА №159(9), М.: МГТУ ГА, 2010, с. 27-31.

1.9. Горбачев O.A., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. О возможности высокоточного определения навигационных погрешностей СНС GPS/ГЛОНАСС с помощью одночастотных приемников // Научный вестник МГТУ ГА №159(9), М.: МГТУ ГА, 2010, с. 81-86.

1.10. Горбачев O.A., Нечаев Е.Е., Рябков П.В. К вопросу размещения спутниковых навигационных приемников на борту воздушного судна // Научный вестник МГТУ ГА №159(9), М.: МГТУ ГА, 2010, с. 171-177.

1.11. Рябков П.В. Способ размещения одночастотных приемников GPS, формирующих поле навигационных погрешностей в районе аэродрома. // Научный вестник МГТУ ГА №171, М.: МГТУ ГА, 2011, с. 102-108.

2. В прочих изданиях:

2.1. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О диагностике ионосферы с использованием одночастотных приемников GPS // Труды БШФФ. Секция «Физика околоземного пространства», 2006 г., с.159.

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

2.3. Горбачев O.A., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности повышения точности определения координат ВС с помощью СНС, путем учета ионосферных флуктуаций // Всероссийская научно-практическая конференция «Инновации в авиационных комплексах и системах военного назначения», т. 10, Секция: Инженерно-авиационное обеспечение, Воронеж, ВАИУ, 26.11.2009 г.

2.4. Рябков П.В., Суязов А.Г., Пуговкин А.Н. Совместное использование глобальных радионавигационных систем для решения задач самолетовождения // Сборник статей по материалам XX научно-практической конференции «Перспектива-2010» Выпуск 1, Часть 10, Авиационное радиоэлектронное оборудование, г. Воронеж

2.5. Рябков П.В., Халимов Н.Р. О возможности комплексирования глобальных радионавигационных систем // IX Всероссийская научно-техническая конференция «Научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского», г. Москва, 2010.

2.6. Рябков П.В. Функциональное дополнение спутниковых радионавигационных систем // Всероссийская научно-техническая конференция «Современные проблемы и перспективные направления развития авиационных комплексов и систем военного назначения, форм и способов их боевого применения», г. Воронеж, 2011.

Соискатель

П.В. Рябков

Печать офсетная 1,29 усл.печ.л.

Подписано в печать 20.02.12 г Формат 60x84/16 Заказ №1414 lf¿)<£

1,20 уч.-изд. л. Тираж 80 экз.

Московский государственный технический университет ГА 125993 Москва, Кронштадтский бульвар, д. 20 Редакщюнно-издателъский отдел 125493 Москва, ул. Пулковская, д.ба

© Московский государственный технический университет ГА, 2012

61 12-5/1774

МОСКОВСКИМ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ ТЕХНИЧЕСКИЙ УНИВЕРСИТЕТ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ

Рябков Павел Владимирович

ВЫСОКОТОЧНОЕ ОПРЕДЕЛЕНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ ПОГРЕШНОСТЕЙ GPS С ПОМОЩЬЮ ОДНОЧАСТОТНЫХ

ПРИЕМНИКОВ

Специальность 05.12.14 - Радиолокация и радионавигация

на соискание ученой степени кандидата технических наук

На правах рукописи

Диссертация

Научный руководитель: доцент, д.т.н. Горбачев О. А.

Москва-2012

Работа выполнена в Московском государственном техническом университете гражданской авиации

Научный руководитель: доцент, доктор технических наук

Горбачев Олег Анатольевич

Официальные оппоненты: Заслуженный деятель науки и техники РФ,

профессор, доктор физико-математических наук Козлов Анатолий Иванович

доктор технических наук Борсоев Владимир Александрович

Ведущая организация ОАО МКБ «КОМПАС» г. Москва

Защита состоится «28» марта 2012 года на заседании диссертационного совета Д 223.011.02 при Московском государственном техническом университете гражданской авиации (МГТУ ГА) по адресу: ГСП, 125993, г. Москва, Крондштадский бульвар, 20.

С диссертацией можно ознакомится в библиотеке МГТУ ГА.

Автореферат разослан «/V» ¿у^^г-^? 2012 года.

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

Ученый секретарь диссертационного совета Д 223.011.02,

доктор технических наук /^,^<^Колядов Д. В.

Содержание

Стр.

Введение.............................................................................. 5

Глава 1. Анализ погрешностей спутниковой системы навигации GPS. 19

1.1. Общие сведения о GPS...................................................... 19

1.2. Факторы, влияющие на точность позиционирования в GPS.......... 29

1.3. Погрешности GPS, вносимые средой на трассе распространения сигналов и методы их определения....................................... 31

1.4. Ионосферные эффекты и их влияние на качество работы GPS..... 37

1.5. Методы расчета ионосферной погрешности GPS...................... 45

Выводы по главе 1.................................................................. 53

Глава 2. Методика определения навигационных погрешностей GPS с

помощью одночастотных приемников.............................. 54

2.1. Методика определения регулярной части навигационной погрешности................................................................... 54

2.2. Методика определения флуктуационной части навигационной погрешности................................................................... 58

2.3. Апробация работоспособности методик определения навигационных погрешностей............................................. 82

2.4. Статистическая оценка спектров навигационных

погрешностей.................................................................. 103

Выводы по главе 2.................................................................. 110

Глава 3. Высокоточное определение навигационных погрешностей в

районе аэродрома с помощью одночастотных приемников.... 112

3.1. Организация воздушного движения ВС ГА в районе аэродрома... 112

3.2. Обоснование возможности компенсации навигационных погрешностей СРНС в районе аэродрома с помощью одночастотных приемников GPS.......................................... 114

3.3. Организация сети измерительных пунктов для компенсации

навигационных погрешностей СРНС в районе аэродрома....................117

3.4. Определение навигационной погрешности в районе аэродрома

при одномерном размещении измерительных пунктов............................122

3.5. Определение навигационной погрешности в районе аэродрома

при двумерном размещении измерительных пунктов................................132

3.6. Особенности организации сети навигационных измерительных пунктов в районе аэродрома при высокой вероятности сбоя навигационного сигнала..........................................................................................................140

3.7. Алгоритм работы одночастотного приемника GPS в составе навигационного измерительного пункта................................................................147

3.8. Алгоритм работы навигационного измерительного пункта на

базе одночастотного приемника GPS................................................................................152

Выводы по главе 3....................................................................................................................................154

Заключение......................................................................................................................................................156

Литература......................................................................................................................................................158

Список терминов и сокращений................................................................................................171

Приложение 1................................................................................................................................................172

Приложение 2................................................................................................................................................174

Приложение 3................................................................................................................................................175

Приложение 4................................................................................................................................................176

Введение

Актуальность темы. Одним из грандиозных детищ научно-технического прогресса являются спутниковые системы навигации, связи, локации и телевидения. Эти системы конструктивно имеют весомые достоинства - глобальность действия и неограниченную пропускную способность. Использование цифровых технологий наделило спутниковые системы высокой точностью и надежностью, что является одним из основных требований современного потребителя при решении ряда важнейших задач: определение пространственного положения и вектора скорости подвижных и неподвижных объектов, передача информации различного вида, проведение геодезических работ, наблюдение земной поверхности, составление карт и др. При этом из общего списка спутниковых систем необходимо выделить спутниковые радионавигационные системы (СРНС), позволяющие обеспечивать глобальную навигацию воздушных судов (ВС) гражданской авиации (ГА).

Согласно концепции ICAO (International Civil Aviation Organization) CNS/ATM (Communication, navigation, surveillance/ Air Traffic Management) основным средством навигации ВС ГА являются спутниковые навигационные системы [1, 2]. В настоящее время функционируют две СРНС: американская NAVSTAR GPS и российская ГЛОНАСС. Данные системы используются в различных сферах деятельности человека, как по прямому назначению, обеспечивая решение задач навигации, так и для решения ряда научных задач, таких, например, как исследование среды распространения навигационного сигнала. В качестве источника навигационного сигнала обе системы используют сеть навигационных космических аппаратов (НКА), объединенных в орбитальную группировку.

НКА обеих систем излучают фазоманипулированные (ФМ) сигналы в диапазонах L1 и L2. Сигнал в диапазоне L1 позволяет получать навигационные услуги стандартной точности. Для его приема используется одночастотная навигационная аппаратура потребителя (НАП). Сигнал в

диапазоне Ь2 доступен только ограниченному перечню потребителей и в сочетании с сигналом Ы позволяет получать навигационные услуги высокой точности. В этом случае используется двухчастотная НАП.

Гражданская авиация не имеет доступа к сигналу в диапазоне Ь2, поэтому ВС ГА в качестве основного навигационного средства используют одночастотную НАП.

Внедрение в систему управления воздушным движением (УВД) элементов концепции 1САО С^/АТМ требует повышения качества навигационного обеспечения ВС [3], что применительно к СРНС означает необходимость повышения точности позиционирования, целостности и надежности.

В Российском радионавигационном плане (РРНП) приведены количественные требования к СРНС, разработанные НТЦ «Интернавигация» с учетом требований 1С АО [4]:

- точность позиционирования (для 95% времени) в горизонтальной плоскости - 13 м, в вертикальной плоскости - 22м;

- точность определения дальности (СКО) - 6м, скорости - 0.02 м/с, ускорения - 0.007 м/с ;

- точность хода часов (для 95% времени) - 40 не;

- надежность системы - 99.94%;

- эксплуатационная готовность - не менее 99%.

На воздушном транспорте определены следующие этапы полета ВС:

- взлет и выход в исходный пункт маршрута (трассы);

- полет по маршруту (маршрутный полет);

- полет в зоне аэродрома (терминальный полет);

- некатегорированный заход на посадку;

- заход и посадка по категории 1С АО (категорированная посадка).

Требования к качеству навигационного обеспечения на каждом этапе полета различны. Так, например, требования авиационных потребителей к

точности определения местоположения ВС при заходе на посадку и посадке по категориям 1С АО приведены в таблице №1.

Таблица №1.

Требования к погрешности (СКП)

Категория Высота над В1Ш Горизонтальная Вертикальная

посадки для проверки (м) погрешность (м) погрешность (м)

1 30,0 4,5-8,5 1,5-2,0

2 15,0 2,3-2.6 0,7-0,85

3 2,4 2,0 0,2-0,3

Таблица №2.

Этапы полета воздушного судна Район полета Точность определения координат (СКП), м.

Полет по маршруту - над океаном

(безориентирная 5800

местность);

- воздушные трассы 2500

шириной 20 км;

- воздушные трассы 1250

шириной 10 км;

-местные воздушные

линии: 500

* 1 категории. 250

* 2 категории.

- воздушные трассы

при 230

использовании метода

зональной навигации;

Полет в зоне 200

аэродрома

Некатегорированный 50

заход на посадку

Для маршрутного этапа полета воздушных судов установлены следующие категории районов (зон):

- океаническая (безориентирная местность);

- внутренняя континентальная (местная) линия;

- зоны выполнения специальных задач;

Требования авиационных потребителей к точности определения координат в зависимости от решаемых задач и районов (зон) полета приведены в таблице №2.

В стандартном режиме точность определения координаты в СРНС составляет величину порядка 15 метров [3, 5], что удовлетворяет требованиям РРНП при полетах по маршруту и некатегорированному заходу на посадку. Для решения задач категорированной посадки ВС с помощью СРНС необходимо повышать точность определения пространственных координат, для чего необходимо уменьшить погрешности позиционирования СРНС.

66%

ионосферная рефракция

Рис. 1. Влияние различных факторов на величину ошибки СРНС GPS

Погрешности позиционирования СРНС можно отнести к трем типам: 1. Погрешности, связанные с качеством навигационного сигнала - ошибки эфемерид, обусловленные влиянием на движение НКА возмущений гравитации, давления солнечного ветра, сдвига магнитных полюсов Земли и ошибки часов спутника;

2. Погрешности, связанные с несовершенством НАЛ - ошибки часов НАП, шумовые погрешности, погрешности дискретизации и вычислительных средств;

3. Погрешности, вносимые средой распространения сигнала - ионосферная и тропосферная рефракция, многолучевое распространение.

Процентное соотношение между погрешностями СРНС различных типов по данным [6] представлено на рис. 1.

Из рис. 1 следует, что основным фактором, влияющим на погрешность определения координат в СРНС, является среда распространения сигналов. Анализ данных, приведенных на рис. 1, показывает, что основной вклад в ошибки, обусловленные средой распространения сигналов СРНС, вносит ионосферная рефракция. Рефракция в тропосфере имеет гораздо меньшую величину, во-первых, вследствие малости высотной протяженности тропосферы (10-И 2 км) по сравнению с ионосферой (~1000 км), а во-вторых, вследствие возможности её значительного уменьшения посредством использования модели стандартной тропосферы. Кроме того, для большинства задач воздушной навигации тропосферная рефракция лежит в пределах требуемой точности местоопределения [3].

Определим понятие рефракции сигнала НКА. При решении навигационной задачи в СРНС информационным параметром, по которому определяются координаты потребителя, является псевдодальность, измеренная по дальномерному коду или набегу фазы сигнала [7, 8]. Учёт влияния ошибок определения псевдодальности, связанных с рефракцией сигналов СРНС при их распространении через околоземное космическое пространство, внутри которого располагаются орбиты НКА, является одной из важнейших задач, над которой работают множество специалистов, заинтересованных в увеличении точности координатных определений рассматриваемых систем.

Под ионосферной рефракцией обычно понимают отклонение сигнала НКА от прямолинейного распространения в околоземном космическом

пространстве (ОКП), частично заполненном холодной плазмой. Очевидно, что рефракция сигнала НКА приводит к фазовому опережению и групповому запаздыванию сигнала, то есть к погрешности определения координат аппаратурой потребителя. Величина этой погрешности пропорциональна полному электронному содержанию (ПЭС) в ОКП вдоль траектории распространения сигналов НКА [8, 9]. Под ПЭС здесь и далее будем понимать количество электронов в столбе единичного сечения, соединяющего НКА и НАЛ. Следует отметить, что основная часть ПЭС сосредоточена в ионосфере, так как именно здесь наблюдается максимальная концентрация свободных электронов [10]. Поэтому погрешность определения координат, связанную с прохождением сигнала НКА через околоземное космическое пространство, обычно называют ионосферной погрешностью.

Для учета влияния среды распространения радиосигнала НКА используются следующие методы:

- метод двухчастотных измерений [11];

- метод избыточных одночастотных измерений [12, 13];

- метод моделирования трассы распространения радиоволн [14].

Метод моделирования трассы распространения сигнала предполагает использование модели ПЭС для расчета текущих значений ионосферной погрешности вдоль трассы «НКА-НАП». В СРНС GPS для этой цели используется эмпирическая модель Клобучара. Остаточная погрешность ионосферной задержки при использовании данной модели составляет 43-67% [14].

Метод избыточных одночастотных измерений предполагает измерение сигналов от более чем восьми НКА. За счет усреднения пространственных характеристик ионосферы можно достичь значительного снижения ионосферной погрешности [13, 15].

Двухчастотный метод основан на использовании свойства диспергирующей среды, которое заключается в том, что ионосферная

дальномерная погрешность обратно пропорциональна частоте радиоволны. Следовательно, при одновременном измерении дальностей до НКА на двух когерентно-связанных частотах, комбинация этих измерений позволяет получить дальность (Д), практически свободную от ионосферной погрешности:

/

т

Я =

{ ___2 Л с г Л

к^-Ь

А/1

(!)

где ш=/;//2 =1.283, 7?г/1 и Яг/2- измеренные псевдодальности до / НКА на

основной (/}=1575,42 МГц) и дополнительной (/^=1227,60 МГц) частотах.

Для реализации данного метода используется специальная модификация НАП - двухчастотные приёмники, в которых предусмотрен режим измерений радионавигационных параметров на двух когерентно-связанных частотах. Остаточная погрешность данного метода пропорциональна углу места НКА и составляет 1 ^ 2 м для углов места <10° и десятки сантиметров при оптимальных углах [13, 15]. Таким образом, данный метод наиболее точно определяет ионосферную задержку, но является наиболее затратным из всех за счет использования дорогостоящей двухчастотной НАП. Кроме того, доступ к частоте Ь2 разрешен ограниченному кругу пользователей.

Следует отметить, что рассмотренные методы компенсации ионосферной погрешности могут быть успешно реализованы только для случая невозмущенной или слабо возмущенной ионосферы, поскольку заложенные в них принципы предусматривают упрощенную модель среды.

Намного сложнее спрогнозировать вариации ионосферной погрешности в периоды восхода или захода Солнца и во время ионосферных возмущений. Амплитуда и фаза полезного сигнала в этом случае испытывают нерегулярные флуктуации, что приводит к значительному ухудшению точности определения координат потребителя. В отдельных случаях

наблюдается срыв слежения за сигналами НКА, что приводит к сбою в работе СРНС [16, 17].

Повышение эффективности применения СРНС, а также качества их функционирования, требует получения достоверных и оперативных знаний о пространственном распределении ПЭС в различных точках земной поверхности или там, где возникает необходимость высокоточного определения координат. Пионерскими в этом направлении являются труды группы иркутских ученых под руководством профессора Э. Л. Афраймовича, направленные на исследование причин флуктуаций амплитуды и фазы сигналов СРНС в различных областях ионосферы [16, 18, 19]. При этом в работах [20, 21] обращается внимание на тот факт, что во время ионосферных возмущений срыв слежения за сигналом СРНС на основной частоте Ы происходит реже, чем на дополнительной частоте Ь2.

Отдельно необходимо упомянуть работы, в которых исследован отклик ионосферы на запуски ракет [22, 23], землетрясения [24] и различного рода взрывы [25]. В них сделан общий вывод о том, что эти явления приводят к значительным изменениям ПЭС в ионосфере.

Повысить точность определения пространственного положения ВС ГА, используя одночастотные приемники СРНС, на этапе полета в районе аэродрома и категорированного захода на посадку возможно с помощью дифференциального режима работы СРНС [3], при котором на контрольно-корректирующей станции (ККС) с известными координатами, установленной в непосредственной близости от аэродрома посадки, вычисляются единые для всех потребителей �