Дифференциальный метод кодовых измерений

Размещено на http://www.allbest.ru/

Размещено на http://www.allbest.ru/

Дифференциальный метод кодовых измерений

Введение

ионосфера электромагнитный спутниковый

Принцип глобального позиционирования с использованием спутниковой системы открыл новые эффективные возможности для решения задач для удовлетворения различных геодезических целей. В отличие от известных традиционных наземных методов определения координат спутниковое позиционирование основано на использовании электромагнитных сигналов, посылаемых со спутников, вращающихся в околоземном пространстве на высоте нескольких десятков тысяч километров.

Распространяясь сквозь атмосферную оболочку Земли, спутниковые сигналы подвергаются присущему радиоволнам воздействию со стороны ионосферных частиц, наиболее заметно проявленному в ионосферной задержке. Для ограничения такого рода негативного влияния внешних факторов с целью повышения точности и эффективности спутникового позиционирования были предложены различные мероприятия и способы, такие как использование двухчастотных приёмников, создание станций ионосферного наблюдения и т.д.

В действительности же не все выпускаемые приёмники являются двухчастотными и не все потребители нуждаются в них. До сих пор не во всех частях земного шара имеется достаточно густая сеть станций слежения за ионосферой, тем более не в любой момент времени достаются от неё требуемые данные и не в каждом государстве есть подобная служба или хотя бы одна - две такие специфические станции.

Влиянию ионосферы на GPS-измерения посвящено большое количество работ и имеется широкая сеть стационарных наземных двухчастотных приемных станций, которые, используя сигналы спутниковых навигационных систем типа GPS/ГЛОНАСС, собирают данные об ионосфере. Однако распределение таких станций неравномерно. Наиболее плотная сеть имеется в США, а также на территории Европы. Это вызывает трудности при восстановлении региональной и локальной моделей ионосферы в регионах, где отсутствуют плотные сети приемных станций.

Целями данной курсовой работы являются:

1. Определение причин возникновения ионосферной задержки спутниковых сигналов;

2. Анализ и оценка существующих методов учёта ионосферной задержки сигнала.

1. Ионосфера и её влияние на распространение электромагнитных волн.

1.1 Ионосфера

Ионосфера - верхняя часть атмосферы Земли, состоящая из мезосферы, мезопаузы и термосферы, сильно ионизированная вследствие облучения космическими лучами, идущими, в первую очередь, от Солнца.

Мезопауза - слой атмосферы, разделяющий мезосферу и термосферу. На Земле располагается на высоте 80-90 км над уровнем моря. В мезопаузе находится температурный минимум, который составляет около ?100°C. Ниже (начиная от высоты около 50 км) температура падает с высотой, выше (до высоты около 400 км) - снова растёт. Мезопауза совпадает с нижней границей области активного поглощения рентгеновского и наиболее коротковолнового ультрафиолетового излучения Солнца. На этой высоте наблюдаются серебристые облака. Мезопауза есть не только на Земле, но и на других планетах, имеющих атмосферу.

Ионосфера состоит из смеси газа нейтральных атомов и молекул (в основном азота N₂ и кислорода О₂) и квазинейтральной плазмы (число отрицательно заряженных частиц лишь примерно равно числу положительно заряженных). Степень ионизации становится существенной уже на высоте 60 километров.

В зависимости от плотности заряженных частиц N в ионосфере выделяются слои D, Е и F.

В области D (60-90 км) концентрация заряженных частиц составляет N_max~ 10І-10і см^?3 - это область слабой ионизации. Основной вклад в ионизацию этой области вносит рентгеновское излучение Солнца. Также небольшую роль играют дополнительные слабые источники ионизации: метеориты, сгорающие на высотах 60-100 км, космические лучи, а также энергичные частицы магнитосферы (заносимые в этот слой во время магнитных бурь). Слой D также характеризуется резким снижением степени ионизации в ночное время суток.

Область Е (90-120 км) характеризуется плотностями плазмы до N_max~ 10⁵ см^?3. В этом слое наблюдается рост концентрации электронов в дневное время, поскольку основным источником ионизации является солнечное коротковолновое излучение. Ночью плотность ионов может упасть до 10і см^?3. Этому процессу противодействует диффузия зарядов из области F, находящейся выше, где концентрация ионов относительно велика, и ночные источники ионизации (геокороное излучение Солнца, метеоры, космические лучи и др.).

В некоторых случаях на высотах 100-110 км возникает слой E_S, очень тонкий (0,5-1 км), но плотный. Особенностью этого подслоя является высокая концентрации электронов (n_e~10⁵ см^?3), которые оказывают значительное влияние на распространение средних и даже коротких радиоволн, отражающихся от этой области ионосферы.

Слой E в силу относительно высокой концентрации свободных носителей тока играет важную роль в распространении средних и коротких волн.

Областью F называют теперь всю ионосферу выше 130-140 км. Максимум ионобразования достигается на высотах 150-200 км. Однако вследствие диффузии и относительно долгой длительности жизни ионов образовавшаяся плазма распространяются вверх и вниз от области максимума. Из-за этого максимальная концентрация электронов и ионов в области F находится на высотах 250-400 км.

В дневное время также наблюдается образование «ступеньки» в распределении электронной концентрации, вызванной мощным солнечным ультрафиолетовым излучением. Область этой ступеньки называют областью F₁ (150-200 км). Она заметно влияет на распространение коротких радиоволн.

Выше лежащую часть слоя F называют слоем F₂. Здесь плотность заряженных частиц достигает своего максимума - N ~ 10⁵-10⁶ см^?3.

На больших высотах преобладают более лёгкие ионы кислорода (до высот 400-1000 км), а ещё выше - ионы водорода (протоны) и в небольших количествах - ионы гелия.

Особенностью слоя F является то, что он отражает радиоволны в диапазоне частот от нескольких мегагерц до 10 мегагерц, что делает возможным передачу радиосигналов коротковолнового диапазона на значительные расстояния.

Несмотря на то, что ионный состав слоя F зависит от солнечной активности, его способность отражать электромагнитные волны с частотой, меньшей 10МГц, стабильна.

1.2 Моделирование ионосферы

Модель ионосферы представляет собой распределение значений характеристик плазмы в виде функции:

1. географического положения,

2. высоты,

3. дня года,

4. а также солнечной и геомагнитной активности.

Для задач геофизики, состояние ионосферной плазмы может быть описано четырьмя основными параметрами:

1. электронной плотностью;

2. электронной температурой;

3. ионной температурой;

4. ионным составом (в силу наличия нескольких типов ионов).

Распространение радиоволн, например, зависит исключительно от распределения электронной концентрации.

Обычно модель ионосферы - это компьютерная программа. Она может быть основана на физических законах, определяющих распределение характеристик плазмы в пространстве (учитывающих взаимодействие ионов и электронов с солнечным излучением, нейтральной атмосферой и магнитным полем Земли). Также, она может представлять собой статистическое усреднение большого количества экспериментальной информации. Одной из наиболее часто используемых моделей является модель international reference ionosphere (IRI)^[1], построенная на статистической обработке большого количества измерений и способная рассчитывать четыре основных характеристики ионосферы, указанные выше. Проект по созданию и усовершенствованию модели IRI является международным и спонсируется такими организациями, как COSPAR^[2] и URSI^[3]. Основными источниками данных для модели IRI являются:

1. глобальная сеть ионозондов;

2. мощные радары некогерентного рассеяния (находятся на Джикамарке, Арэсибо, Майлстоун Хилл, Малверн и Сан-Сантине);

3. спутниковые зонды ISIS и Alouette;

4. точечные измерения с нескольких спутников и ракет.

Модель IRI обновляется ежегодно, с появлением новых экспериментальных данных. Эта модель также была в 2009 году принята Международной организацией по стандартизации (ISO) за международный стандарт TS16457.

Одним из эффективных методов моделирования ионосферы, является так называемая техника ассимиляции данных. Суть этой методики состоит в корректировке физической модели ионосферы с помощью оперативно получаемых экспериментальных данных. Обычная модель ионосферы, основанная на физике исследуемых процессов, не может охватить всего диапазона факторов, влияющих на состоянии плазмы. Это связано с тем, что некоторые необходимые для этого величины сложно измерить экспериментально (скорости ветра на высотах термосферы, прохождение сквозь атмосферу космических лучей и др.). Кроме того, даже влияние хорошо изученных факторов, таких, например, как солнечная активность, трудно предсказать.

В связи с этим, модель, способная обеспечить высокую точность описания распределения характеристик плазмы, должна в режиме реального времени усваивать экспериментальную информацию о состоянии ионосферы. Данные, которые могут быть использованы в такого рода подходе должны быть доступны и актуальны и, кроме всего прочего, оперативно обновляемы. Одним из важнейших источников данных, отвечающих такого рода требованиям, является сеть наземных приемников навигационного сигнала спутниковых систем навигации GPS и ГЛОНАСС. По данным о распространении спутникового навигационного сигнала можно вычислить полное содержание электронов вдоль его траектории. Эти данные доступны и обновляются в нескольких архивах, таких, как, например, архив SOPAC^[4]. На данный момент в мире существует несколько моделей ассимиляционного типа. Среди них - разработанная при финансировании Министерства обороны США модель GAIM^[5]. В России разработки в данном направлении ведутся в ФГБУ «Центральная Аэрологическая Обсерватория».

1.3 Влияние ионосферы на распространение электромагнитных волн

Всякая система передачи сигналов состоит из трех основных частей: передающего устройства, приемного устройства и промежуточного звена - соединяющей линии.

Для радиосистем промежуточным звеном является среда - пространство, в котором распространяются радиоволны. При распространении радиоволн по естественным трассам, т.е. в условиях, когда средой служит земная поверхность, атмосфера, космическое пространство, среда является тем звеном радиосистемы, которое практически не поддается управлению.

При распространении радиоволн в среде происходят изменение амплитуды поля волны (обычно уменьшение), изменение скорости и направления распространения, поворот плоскости поляризации и искажение передаваемых сигналов.

Земная поверхность оказывает существенное влияние на распространение радиоволн: в полупроводящей поверхности Земли радиоволны поглощаются; при падении на земную поверхность они отражаются; сферическая форма земной поверхности препятствует прямолинейному распространению радиоволн.

Присутствие свободных электронов существенно влияет на электрические свойства ионосферы и обусловливает возможность отражения от ионосферы радиоволн длиннее 10 м. При однократном отражении радиоволны могут перекрывать расстояние по поверхности Земли до 4000 км. В результате многократного отражения от ионосферы и поверхности Земли радиоволны могут распространяться на любые расстояния по земной поверхности. Радиоволны, распространяющиеся путем отражения от ионосферы или рассеяния в ней, называют ионосферными волнами (3 рис. 2).

На условия распространения ионосферных волн свойства земной поверхности и тропосферы влияют мало.

Наличие в верхних слоях атмосферы свободных электронов определяет электрические параметры ионизированного газа - его диэлектрическую проницаемость и проводимость.

Число электронов, содержащихся в единице объема воздуха, называется электронной плотностью Na (см^-3)

Электронная и ионная плотности ионосферы непостоянны по высоте, что приводит к преломлению и отражению радиоволн в ионосфере.

Отражение радиоволн, посланных с поверхности Земли на ионосферу, происходит не на границе воздух - ионизированный газ, а в толще ионизированного газа. Отражение может произойти только в той области ионосферы, где диэлектрическая проницаемость убывает с высотой а, следовательно, электронная плотность возрастает с высотой, т.е. ниже максимума электронной плотности ионосферного слоя.

Условие отражения связывает угол падения волны на нижнюю границу ионосферы ? с диэлектрической проницаемостью в толще самой ионосферы на той высоте, где происходит отражение волн (рис. 3).

sin ?₀ = ?_n^1/2 = (1 - 80,8N_е/f²)^1/2

Здесь и далее N_e - плотность электронов, см³, а частота f в кГц.

Чем больше значение N_e, тем при меньших углах ?₀ возможно отражение. Угол ?₀, при котором в данных условиях еще возможно отражение, называют критическим углом.

Отсюда можно определить рабочую частоту f_? при которой волны отразятся от ионосферы в случае заданных электронной плотности и угле падения:

f_? = (80,8N_e/cos ?₀)^1/2

Если волна нормально падает на ионосферу, то

f_? = (80,8 N_e)^1/2 = f₀

При нормальном падении волны отражение происходит на той высоте, где рабочая частота равна собственной частоте ионизированного газа и, следовательно, ?=0. При наклонном падении на этой высоте могут отразиться радиоволны с более высокой частотой. Выполняется так называемый закон секанса, заключающийся в том, что при наклонном падении отражается волна частотой, в sec ?₀ раз превышающей частоту волны, отражающейся при вертикальном падении волны на слой заданной электронной плотности:

f_? = f₀ sec_?0

Чем больше электронная плотность, тем для более высоких частот выполняется условие отражения.

Максимальная частота, при которой волна отражается в случае вертикального падения на ионосферный слой, называется критической частотой f_кр, отражение происходит вблизи максимума ионизации слоя:

f_кр = (80,8 N_eмакс)^1/2

Сферичность Земли ограничивает максимальный угол ?₀:

sin ?_макс = R₀/(R₀ + h₀)

А следовательно, и максимальные частоты радиоволн, которые могут отразиться от ионосферы при данной электронной плотности.

2. Определение ионосферной погрешности измерения псевдодальностей

Дальность при радиотехнических измерениях характеризуется временем распространения сигнала от объекта измерения (НКА) до измерительного пункта (НАП) [7]. При беззапросных измерениях в ГНСС прямое измерение дальности возможно только при строгой синхронности шкал времени на НКА и НАП ГНСС. Псевдодальностью называют величину [7]

,

где  - скорость распространения радиоволн;  - интервал между моментом излучения сигнала, определяемым по системному времени ГНСС, и моментом его приема по шкале времени НАП. Псевдодальность  отличается от истинной дальности  на величину

,

где  - расхождение шкал времени ГНСС и НАП на момент отсчета. При обработке сигналов ГНСС различают псевдодальность, измеренную по дальномерному коду и псевдодальность, измеренную по фазе несущей частоты сигнала.

Погрешность измерения псевдодальностей, измеренных по дальномерному коду и фазе несущей частоты сигнала, выражается через соответственно групповую и фазовую задержки сигналов. Систематические погрешности измерения псевдодальности до НКА по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала, вызванные влиянием ионосферы, равны по величине, но имеют разный знак [7, 8].

Величина запаздывания сигналов в ионосфере, зависит от периода 11-летнего цикла солнечной активности, сезонных и ежедневных вариаций электронной концентрации в ионосфере, угла места и азимута НКА, а так же от широты и долготы расположения НАП ГНСС. Величина погрешности измерения псевдодальности, обусловленная задержкой сигнала в ионосфере, может лежать в пределах от 0.15 до 50 метров [8].

Величина фазового и группового запаздывания сигналов обусловлены влиянием ионосферы, их величина непосредственно связана с интегральной электронной концентрацией в ионосфере вдоль пути сигналов в ионосфере [8]

,

где  - групповое запаздывание, выраженное в метрах;  - фазовая задержка, выраженная в метрах;  - частота в герцах;  - распределение электронной концентрации вдоль пути  сигнала в ионосфере;  - интегральная электронная концентрация вдоль пути сигнала в ионосфере.

НКА систем ГЛОНАСС и GPS передают навигационные сигналы в двух частотных поддиапазонах L1 и L2. Двухчастотная НАП, работающая по сигналам двух частотных поддиапазонов L1 и L2, способна исключать влияние ионосферной погрешности измерений псевдодальности. Многочисленные пользователи одночастотной аппаратуры систем ГЛОНАСС и GPS лишены такой возможности.

В навигационном сообщении системы GPS передаются параметры глобальной модели ионосферы - модели Клобухара (Klobuchar model), на основе которой, одночастотный потребитель может осуществлять ионосферную коррекцию. Согласно интерфейсному контрольному документу GPS [9], применение модели Клобухара позволяет уменьшить, как минимум, на 50% влияние ионосферы на среднеквадратическую ошибку определения положения НАП ГНСС, что является недостаточным. Среднеквадратическая погрешность модели Клобухара составляет 7 м [10]. В системе ГЛОНАСС пока отсутствует какая-либо возможность коррекции влияния ионосферы для одночастотного потребителя.

Среднеквадратическая погрешность большинства эмпирических моделей ионосферных параметров, например, International Reference Ionosphere (IRI), довольна высока (32.5%), при этом они способны работать, только в среднеширотных областях и спокойных геомагнитных условиях [11]. Поэтому для эффективного устранения влияния ионосферы необходимо прямое измерение задержки сигнала или интегральной электронной концентрации.

Компенсация ионосферной погрешности измерения псевдодальности в одночастотной аппаратуре возможна при использовании определенных свойств ионосферы. Наиболее перспективным является метод компенсации влияния ионосферы на сигналы НКА в одночастотной НАП ГНСС, основанный на учете противоположности знаков фазовой и групповой задержек. Данный подход позволяет определить задержку сигнала в ионосфере с помощью одночастотной НАП, по разности между псевдодальностями измеренными по дальномерному коду и по фазе несущей частоты сигнала [12,13]. Разность псевдодальностей измеренных по задержке дальномерного кода и по фазе несущей частоты равна удвоенной ионосферной задержке сигнала, и может быть использована для ее определения

,

где  - задержка сигнала НКА в ионосфере в -й момент времени ();  - псевдодальность, измеренная по дальномерному коду;  - псевдодальность, измеренная по фазе несущей частоты сигнала;  - начальная неоднозначность измерений фазы несущей частоты сигнала;  - длина волны сигнала НКА;  - порядковый номер НКА, ;  - число наблюдаемых НКА.

Рассматриваемый подход получил свое развитие в начале 90-х годов в работах К. Коена, Б. Первана, Б. Паркинсона и др. Основным препятствием на пути реализации рассматриваемого метода компенсации ионосферных погрешностей является проблема разрешения начальной неоднозначности фазовых измерений  на несущей частоте при отсутствии дополнительных измерительных частот [12,13]. Поэтому сначала оценивают вертикальную задержку сигнала в ионосфере, затем вертикальную задержку пересчитывают для каждого НКА с учетом его угла места [13]. Для пересчета вертикальной задержки сигнала в наклонную применяется модель ионосферы, которая выражает зависимость задержки сигнала в ионосфере от угла места, а так же ее пространственный градиент. При таком способе оценки начальной фазовой неоднозначности возникает ряд проблем вычислительного характера.

Заключение

Ионосфера непрерывно изменяется. Различают регулярные изменения и возмущённые состояния. Поскольку основным источником ионизации является коротковолновое излучение Солнца, многие регулярные изменения ионосферы обязаны изменению либо высоты Солнца над горизонтом (суточные, сезонные, широтные изменения), либо уровня солнечной активности (11-летние и 27-дневные вариации). Следовательно, ионосферная задержка не постоянна, она меняется от сезона и времени суток.

Ионосферная рефракция - один из главных источников ошибок при абсолютных ГЛОНАСС/GPS определениях. Она оказывает негативное воздействие на электромагнитный сигнал ГЛОНАСС/GPS и соответственно на измерение псевдодальности при прохождении электромагнитного сигнала НИСЗ сквозь ионосферу.

Ионосферная рефракция вносит ошибку в измерение псевдодальности порядка 4.5 м. Поэтому для достижения приемлемой точности измерения псевдодальности по коду и фазе несущей необходим учёт и исключение влияния ионосферы особенно при абсолютных определениях посредством СРНС ГЛОНАСС/GPS. Измерение псевдодальности на двух частотах может устранить влияние ионосферной рефракции на измерение псевдодальности с чётом разности времени достижения приёмника двух сигналов на L1 и L2 от НИСЗ.

В то же время в последние десятилетия были развиты различные методы моделирования ионосферы для исключения из измерений псевдодальности ионосферной рефракции. Лучшие модели могут устранять ионосферную рефракцию в пределах 50 - 75%.

Список использованной литературы

1. Модель IRI на сайте NASA http://iri.gsfc.nasa.gov/

2. Комитет по Космическим Исследованиям (COSPAR) https://cosparhq.cnes.fr/

3. Международный Совет по Распространению Радиоволн (URSI) http://www.ursi.org/en/home.asp

4. Страница архива данных систем спутниковой навигации SOPAC http://sopac.ucsd.edu/

5. Описание модели GAIM http://iono.jpl.nasa.gov/gaim/intro.html

6. Результаты и описание ассимиляционной модели ионосферы ФГБУ «ЦАО» http://ionosphere.ru/

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

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

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

10. Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard October, 2001.

11. 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 52^ndAnnual Meeting Workshop, MA, USA, 19-21 June, 1996.

12. Сетевые спутниковые радионавигационные системы. / Под ред. В.С. Шебшаевича. - М.: Радио и связь, 1993. - 408 с.

13. Nisner P., Trethewey M. GPS Ionospheric Determinations Using L1 Only // Proceedings of the 5th International conference on «Differential Satellite Navigation Systems», Additional Volume, St. Petersburg, Russia, May, 1996.

Размещено на Allbest.ru