Размещено на http://www.allbest.ru/

Дипломная работа

Ошибки позиционирования GPS-приёмников в условиях полярных геомагнитных возмущений

Содержание

• Введение
• Глава 1. Общие сведения о навигационных спутниковых системах
• 1.1 Состав GPS-системы ГЛОНАСС
• 1.2 Принцип определения координат приёмника
• 1.3 Структура передаваемых сигналов
• 1.4 Источники ошибки местоопределения
• Глава 2. Аппаратура и методика
• 2.1 Общие сведения об экспериментах в Апатитах и Мурманске
• 2.2 Параметры и характеристики приемников GPS-сигнала
• 2.3 Первичные данные GPS-приёмника
• 2.4 Использованные программы из математического обеспечения GPS
• 2.5 Использование данных сети станций Баренцрегиона - IMAGE
• 2.6 Использование данных наземных наблюдений полярных сияний
• Глава 3. Результаты экспериментов
• 3.1 Дата эксперимента 14 и 15 декабря 2006 года
• 3.2 Дата эксперимента 25 и 26 марта 2007 года
• 3.3 Дата эксперимента 21 и 23 декабря 2008 года
• 3.4 Дата эксперимента 28 и 29 марта 2013 года
• Обсуждение результатов
• Заключение
• Практические рекомендации
• Список используемой литературы
• Приложения

Введение

Определение своего положения с помощью GPS навигатора, отдельного прибора, или устройства, встроенного в карманный компьютер или сотовый телефон, уже стало совершенно обычной вещью.

Постепенно столь же привычным становится определение положения объекта с помощью систем на основе GPS/GSM/GPRS, когда на мониторе компьютера или экране сотового телефона можно увидеть участок карты с отметкой, где находится другой человек или его автомобиль.

''GPS'' - это первые буквы английских слов ''Global Positioning System'' - глобальная система местоопределения. GPS состоит из 24 искусственных спутников Земли, сети наземных станций слежения за ними и неограниченного количества пользовательских приемников-вычислителей. ''GPS'' предназначена для определения текущих координат пользователя на поверхности Земли или в околоземном пространстве.

По радиосигналам спутников GPS-приемники пользователей устойчиво и точно определяют текущие координаты местоположения. Погрешности не превышают десятков метров. Этого вполне достаточно для решения задач НАВИГАЦИИ подвижных объектов (самолеты, корабли, космические аппараты, автомобили и т.д.). Необходимо отметить, что при определении координат возникают различного рода ошибки, которые вносят свой вклад в неточности определения местоположения.

Исследованию вариаций погрешности позиционирования в зависимости от геофизических возмущений посвящено большое количество работ, наиболее полные сведения о которых можно найти в монографии (Афраймович, Перевалова 2006) и в ссылках, приведенных в этой монографии. В ней, в частности, демонстрируется сравнение погрешностей позиционирования GPS сигнала и меняющейся геомагнитной активностью в Оттаве в период выдающейся геомагнитной бури 29-31.10 2003 г. рис. 1:



Рис. 1. Cуточные зависимости погрешности позиционирования во время двух магнитных бурь 29-31 октября 2003 года

В верхней части рисунка представлены вариации Н-компоненты магнитного поля на двух станциях. Буквами А, В, С отмечены три интервала времени, для которых характерны резкие и глубокие вариации магнитного поля амплитудой до 500-700 нТл. Интервал А связан с внезапным началом магнитной бури, а В и С соответствуют главным фазам. На северо-востоке США интервалы В и С относятся к послеполуденной (14:00-20:00 LT), а на юго-западе США - к дневной (10:00-16:00 LT) ионосфере. На северо-востоке США значительные выбросы погрешностей позиционирования у (t) для приёмников Ashtech и Rogue совпадают по времени с периодами В и С, когда наблюдались резкие, глубокие и продолжительные вариации напряжённости геомагнитного поля. Максимальная погрешность достигает значений 200-220 м. для приёмников Ashtech и Rogue. Наименьшая погрешность (не более 100 м.) наблюдалась для приёмников АОА и Trimble. На юго-западе США в периоды времени резких вариаций Н-компоненты магнитного поля на всех станциях GPS в зависимости от типа приёмника ошибка позиционирования возрастает до 70-180 м).

В дипломной работе делается попытка проанализировать влияние геофизических факторов на точность определения координат, а именно воздействие на сигнал искусственных спутников Земли возмущений в полярной ионосфере. Для этого автором был поставлен эксперимент по измерению параметров GPS сигнала в реальном времени в городе Апатиты с помощью приёмника GPS 18 LVC в различных условиях экранирования и при местоположениях приемника. Кроме того, автор принял участие в обработке комплексных данных по обработке временных рядов параметров GPS сигнала зарегистрированного в экспериментах 2006-2007 гг. с помощью приемника GARMIN-128 в составе коллектива сотрудников ПГИ и МГТУ.

Проведен сравнительный анализ геомагнитных возмущений на сети станций Баренцрегиона и вариаций отклонений в координатах, определяемых GPS-приёмником.

Глава 1. Общие сведения о навигационных спутниковых системах

1.1 Состав GPS-системы ГЛОНАСС

Система в целом включает в себя три функциональные части (сегменты) (рис. 2):

1. Космический сегмент, в который входит орбитальная группировка искусственных спутников Земли (иными словами, навигационных космических аппаратов);

2. Сегмент управления, наземный комплекс управления (НКУ) орбитальной группировкой космических аппаратов;

3. Аппаратура пользователей системы.

Рис. 2. Сегменты высокоорбитальных навигационных систем ГЛОНАСС.

Из этих трёх частей последняя, аппаратура пользователей, самая многочисленная. Система Глонасс является беззапросной, поэтому количество потребителей системы не имеет значения. Помимо основной функции навигационных определений, система позволяет производить высокоточную взаимную синхронизацию стандартов частоты и времени на удалённых наземных объектах и взаимную геодезическую привязку. Кроме того, с её помощью можно производить определение ориентации объекта на основе измерений, производимых от четырёх приёмников сигналов навигационных спутников.

В системе ГЛОНАСС (10) в качестве радионавигационной опорной станции используются 24 навигационных космических аппаратов (НКА), вращающиеся по круговой геостационарной орбите на высоте ~ 19100 км (рис. 3). Период обращения спутника вокруг Земли равен, в среднем, 11 часов 45 минут. Время эксплуатации спутника - 5 лет, за это время параметры его орбиты не должны отличаться от номинальных значений больше чем на 5%. Сам спутник представляет собой герметический контейнер диаметром 1,35 м и длиной 7,84 м, внутри которого размещается различного рода аппаратура. Питание всех систем производится от солнечных батарей. Общая масса спутника - 1415 кг. В состав бортовой аппаратуры входят: бортовой навигационный передатчик, хронизатор (часы), бортовой управляющий комплекс, система ориентации и стабилизации и так далее.

Рис. 3. Космический сегмент систем ГЛОНАСС.

Сегмент наземного комплекса управления системы ГЛОНАСС выполняет следующие функции:

1. Эфемеридное и частотно-временное обеспечение;

2. Мониторинг радионавигационного поля;

3. Радиотелеметрический мониторинг НКА;

4. Командное и программное радиоуправление НКА.

Для синхронизации шкал времени различных спутников с необходимой точностью на борту НКА используются цезиевые стандарты частоты с относительной нестабильностью порядка 10-13. На наземном комплексе управления используется водородный стандарт с относительной нестабильностью 10-14. Кроме того, в состав НКУ входят средства коррекции шкал времени спутников относительно эталонной шкалы с погрешность 3-5 нс.

Наземный сегмент обеспечивает эфемеридное обеспечение спутников. Это означает, что на земле определяются параметры движения спутников и прогнозируются значения этих параметров на заранее определённый промежуток времени. Параметры и их прогноз закладываются в навигационное сообщение, передаваемое спутником наряду с передачей навигационного сигнала. Сюда же входят частотно-временные поправки бортовой шкалы времени спутника относительно системного времени. Измерение и прогноз параметров движения НКА производятся в Баллистическом центре системы по результатам траекторных измерений дальности до спутника и его радиальной скорости.

1.2 Принцип определения координат приёмника

Для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника. Для того, чтобы потребитель мог определить координаты спутников, излучаемые ими навигационные сигналы моделируются сообщениями о параметрах их движения. В аппаратуре потребителя происходит выделение этих сообщений и определение координат спутников на нужный момент времени.

Координаты и составляющие вектора скорости меняются очень быстро, поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах и составляющих вектора скорости, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения КА на достаточно большом интервале времени (около 30 минут). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации.

Параметры аппроксимирующей модели входят в состав навигационных сообщений спутников. В системе GPS используется Кеплеровская модель движения с оскулирующими элементами. В этом случае траектория полёта КА разбивается на участки аппроксимации длительностью в один час. В центре каждого участка задаётся узловой момент времени, значение которого сообщается потребителю навигационной информации. Помимо этого, потребителю сообщают параметры модели оскулирующих элементов на узловой момент времени, а также параметры функций, аппроксимирующих изменения параметров модели оскулирующих элементов во времени как предшествующем узловому элементу, так и следующем за ним.

В аппаратуре потребителя выделяется интервал времени между моментом времени, на который нужно определить положение спутника, и узловым моментом. Затем с помощью аппроксимирующих функций и их параметров, выделенных из навигационного сообщения, вычисляются значения параметров модели оскулирующих элементов на нужный момент времени. На последнем этапе с помощью обычных формул кеплеровской модели определяют координаты и составляющие вектора скорости спутника.

Как было сказано выше, для определения координат потребителя необходимо знать координаты спутников (не менее 4) и дальность от потребителя до каждого видимого спутника, которая определяется в навигационном приёмнике с точностью около 1 м.

Для удобства рассмотрим простейший "плоский" случай, представленный на рис. 4.



Рис. 4. Определение координат потребителя.

Каждый спутник (рис. 4) можно представить в виде точечного излучателя. В этом случае фронт электромагнитной волны будет сферическим. Точкой пересечения двух сфер будет та, в которой находится потребитель.

Высота орбит спутников составляет порядок 20000 км. Следовательно, вторую точку пересечения окружностей можно отбросить из-за априорных сведений, так как она находится далеко в космосе.

1.3 Структура передаваемых сигналов

Спутники GPS передают два маломощных сигнала на частотах L1 и L2. Гражданские GPS-приемники работают на частоте L1 равной 1600 МГц и L2 равной 1250 МГц. Прием сигналов возможен только со спутников, находящихся в пределах прямой видимости. Облака, стекло и пластик не являются преградами для сигнала, в то время как большинство плотных объектов, таких как здания, рельеф местности, металлические предметы и люди - являются.

Сигнал, передаваемый спутниками GPS, содержит три важных составляющих: псевдослучайный код, эфемеридные данные и альманах. Псевдослучайный код содержит номер спутника, передающего информацию. GPS-приемники GARMIN отображают его на странице спутников.

Эфемеридные данные, постоянно передаваемые каждым спутником, содержат важную информацию о статусе спутника (рабочий или нерабочий), а также текущую дату и время. Эта часть сигнала необходима для вычисления местоположения GPS-приемником.

Альманах содержит информацию о том, где должны находиться спутники GPS. Каждый спутник передает альманах, содержащий орбитальную информацию для данного спутника, а также всех остальных спутников GPS.

1.4 Источники ошибки местоопределения

На точность местоопределения при помощи сигнала GPS влияют следующие факторы:

1. Ионосферные и тропосферные задержки

Наиболее существенные погрешности возникают при прохождении радиосигналом ионосферы Земли - слоя заряженных частиц на высотах от 50 до 1000 километров. Эти частицы заметным образом влияют на скорость распространения света и радиоволн.

Скорость света определяется как константа только для вакуума, который существует в глубоком космосе. Но когда свет или радиосигнал проходят через более плотную среду, например через слой заряженных частиц, скорость их распространения немного уменьшается. Это делает невозможными вычисления расстояний до спутников, если они построены на предположении о ее строгом постоянстве. По мере прохождения атмосферы сигнал замедляется. Ионосфера и тропосфера Земли вызывают задержки спутниковых сигналов, которые можно пересчитать в ошибки местоопределения.

2. Многолучевой прием

Это происходит, когда сигнал GPS отражается от объектов, таких как высокие здания или скалы и попадает в GPS-приемник. Увеличение времени прохождения отраженного сигнала приводит к возникновению ошибки.

3. Ошибка часов приемника

Встроенные часы GPS-приемника уступают в точности атомным часам, находящимся на борту спутников. Это может быть причиной небольших ошибок в определении времени прохождения сигнала.

4. Орбитальные ошибки

Известны также как эфемеридные ошибки, соответствуют неточности в передаваемом местоположении спутников

5. Число видимых спутников

Чем больше спутников "видит" GPS-приемник, тем выше точность. Здания, элементы рельефа, а иногда и густая листва могут препятствовать приему сигналов GPS, приводя к ошибкам в местоопределении или к его невозможности.

6. Геометрия видимых спутников

Определяется взаимным расположением спутников в каждый момент времени. Идеальной является такая геометрия спутников, когда углы между направлениями на них большие. Плохой считают такую геометрию, когда спутники располагаются на одной линии или близко к ней.

1. Геометрический фактор снижения точности (GDOP) говорит о степени влияния погрешностей псевдодальности (последняя характеризует меру удаленности потребителя от GPS-спутника) показаний часов на точность вычисления координат. Зависит от положения спутника относительно GPS-приемника и от смещения показания GPS-часов. Различие значений псевдодальности и фактической дальности связано со смещением показаний часов GPS-спутника и потребителя, а также с задержками распространения и другими ошибками.

2. Горизонтальный фактор снижения точности (HDOP) показывает степень влияния точности определения горизонтали на погрешность вычисления координат;

3. Фактор снижения точности определения положения (PDOP) - это безразмерный показатель, который описывает, как влияет на точность определения координат погрешность псевдодальности;

4. Относительный фактор снижения точности (RDOP) по сути равен фактору снижения точности, нормализованному на период, составляющий 60 с;

5. Временной фактор снижения точности (TDOP) описывает степень влияния погрешности показаний часов на точность определения координат;

6. Вертикальный фактор снижения точности (VDOP) показывает степень влияния погрешности в вертикальной плоскости на точность определения координат.

PDOP - геометрическое снижение точности - параметрическое описание геометрического взаиморасположения спутников относительно антенны приёмника. Когда спутники в области видимости находятся слишком близко друг к другу говорят о "слабой" геометрии расположения (высоком значении DOP), и, наоборот, при достаточной удалённости геометрию считают "сильной" (низкое значение DOP) (табл. 1).

Табл. 1. Параметр PDOP и его описание

Значение DOP	Точность	Описание
1	Идеальная	Рекомендуется к использованию в системах, требующих максимально возможную точность.
2-3	Отличная	Достаточная точность для использования результатов измерений в достаточно чувствительной аппаратуре и программах.
4-6	Хорошая	Рекомендуемый минимум для принятия решений по полученным результатам. Результаты могут быть использованы для достаточно точных навигационных указаний.
7-8	Средняя	Результаты можно использовать в вычислениях, однако рекомендуется озаботиться повышением точности.
9-20	Ниже среднего	Результаты могут использоваться только для грубого приближения местоположения.
21-50	Плохая	Обычно такие результаты должны быть отброшены.

Глава 2. Аппаратура и методика

2.1 Общие сведения об экспериментах в Апатитах и Мурманске

Целью эксперимента, проводимого в городе Апатиты, было использование наблюдений полярных сияний, в качестве индикатора погрешностей позиционирования. Для более чёткого выделения физических эффектов, связанных с полярными сияниями и влияющих на распространение GPS - сигнала блокировалась радиовидимость южной части небосвода и навигационный приемник работал с сигналами ограниченного, но достаточного для навигационных целей количества спутников, находившихся в зоне его видимости, то есть со спутниками северной части небосвода. Радиосигналы этих спутников распространялись через ионосферу авроральной зоны и полярной шапки, которая практически постоянно возмущена и меняется лишь степень ее возмущенности.

Использовался имеющийся в наличии приёмник типа Garmin 18 LVC и программное обеспечение - VisualGPSXP, GPSAnalyzer.

Данные с приёмника записывались непосредственно на компьютер через последовательный порт RS-232, и с помощью программ - VisualGPSXP и GPSAnalyzer обрабатывались. Эксперимент проводился с декабря 2008 года до апреля 2013.

Эксперимент, поставленный в городе Мурманск проводился синхронно с экспериментом в Апатитах с целью проанализировать особенности приёма GPS - сигнала на разнесённых приёмных пунктах в аналогичных геофизических условиях.

Приём GPS сигнала в Мурманске проводился с созвездия спутников, выбранных системой из 12 имеющихся в поле зрения ИСЗ. Использовался приёмник типа Garmin 128 и программное обеспечение - VisualGPSXP. В работе используются данные Мурманска, полученные в декабре 2006 г., в марте 2007 г. и в настоящем эксперименте за 13-14 марта и 9 - 11 апреля 2013 г.

В результате экспериментов были получены временные ряды.

Табл. 2. Статистика экспериментов

Дата эксперимента	Апатиты GARMIN 18 LVC	Мурманск GARMIN 128
14 - 15.12.2006	-	+
25 - 26.03.2007	-	+
20 - 24.12.2008	+(*)	-
9 - 24.02.2013	+(*)	-
13 - 14.03.2013	+(*)	+(*)
24.03 - 2.04.2013	+(*)	-
10 - 14.04.2013	+(*)	+(*)

В таблице 2 представлена статистика проведённых экспериментов в Апатитах и Мурманске.

Условные обозначения:

1. "-" - эксперимент не проводился

2. "+" - эксперимент с полным обзором небосвода

3. "+(*)" - эксперимент с ограниченным обзором небосвода

2.2 Параметры и характеристики приемников GPS сигнала

Табл. 3. Таблица сравнения GARMIN 18 LVC и GARMIN 128

Технические характеристики	Garmin 18 LVC	Garmin 128
Источник питания	60 мА - 5.0 В.	10-40 В.
Число каналов приемника	12	12
Точность определения координат	15 м.	15 м.
Точность определения скорости	0.05 м/с.	0.05 м/с.
Частота обновления	1 раз/с.	1 раз/с.
Горячий старт	2 с.	2 с.
Теплый старт	15 с.	15 с.
Холодный старт	45 с.	45 с.
Тип антенны	внутренняя	дистанционная антенна с кабелем длиной 9 м.
Интерфейсы	RS-232, NMEA 0183.	NMEA 0183 и RTCM 104
Размеры (ДхВ), (ВхШхТ)	61x19,5 мм.	12,45x16,36х6,1 см.
Вес	161.6 г.	454 г.

2.3 Первичные данные GPS-приёмника

NMEA ("National Marine Electronics Association") -- полное название "NMEA 0183" -- текстовой протокол связи морского (как правило, навигационного) оборудования между собой. Стал особенно популярен в связи с распространением GPS приёмников, использующих этот стандарт. Данный протокол в настоящее время используют большинство программного обеспечения, предназначенного для синхронизации GPS приёмника с персональным компьютером.

GPS - приёмник имеющий интерфейс NMEA 0183 поддерживает обмен следующими строками:

1. NMEA 0183 версия 3.0:

2. GPGGA -- данные о последнем определении местоположения

3. GPGLL -- координаты, широта/долгота

4. GPGSA -- DOP (GPS) и активные спутники

5. GPGSV -- наблюдаемые спутники

6. GPWPL -- параметры заданной точки

7. GPBOD -- азимут одной точки относительно другой

8. GPRMB -- рекомендуемый минимум навигационных данных для достижения заданной точки

9. GPRMC -- рекомендуемый минимум навигационных данных

10. GPRTE -- маршруты

11. HCHDG -- данные от компаса

Собственные строки фирмы Garmin:

1. PGRME -- оценка ошибки измерений

2. PGRMM -- картографические данные

3. PGRMZ -- высота

4. PSLIB -- контроль приёма маяков

Для проведения анализа данных, полученных в результате экспериментов нам потребовалось выделить из всего набора данных (см. выше), только лишь 2 строки за каждый момент времени GPRMC и GPGSA.

Пример строки GPRMC:

$GPRMC,191015,A,6734.1577,N,03324.9848,E,000.0,299.3,090409,013.2,E*77

Составляющие данной строки, необходимые для последующих вычислений:

1. 191015 - 19 часов, 10 минут, 15 секунд.

2. А - данные достоверны.

3. Широта 6734,1577, северная (формат GGMM.MM - 2 цифры градусов("GG"), 2 цифры целых минут, точка и дробная часть минут переменной длины.)

4. Долгота 03324.9848, восточная (формат GGMM.MM).

5. Дата 090409 - 9 апреля 2013 г.

Пример строки GPGSA:

$GPGSA,A,2,,,,,10,,,21,24,,,,3.6,3.5,1.0*35

Составляющие данной строки, необходимые для последующих вычислений:

1. 3,6 - ошибка определения местоположения (Position dilution of precision, 0.5 to 99.9 - PDOP)

2.4 Использованные программы из математического обеспечения GPS

Описание программы VisualGPSXP.

Программа VisualGPSXP предназначена для сбора данных, передаваемых в NMEA сообщениях, и отображения их в графическом виде, а также выводит различную информацию, измеряемую приемником GPS. Дополнительно, подсчитывает позицию и выдает оценку ее точности.

Возможности программы "VisualGPSXP":

1. Возможность подключения GPS приемника через последовательный RS-232 порт, либо анализ данных из готового текстового файла данных с различными скоростями воспроизведения.

2. Отображения в "аналоговом" виде показателей высоты, горизонтальной и вертикальной скоростей, направления движения.

3. Графическое представления уровня спутниковых сигналов и значений угла возвышения и азимута.

4. Усреднение позиции и подсчет статистики.

Системные требования:

Windows 95/98/ME/NT4/2000/XP

GPS приемник:

Любой GPS приемник с поддержкой протокола NMEA 0183

Рис. 5. Информация о качестве принимаемых сигналов с ИСЗ в Дб

Рис. 6а, б. Положения видимых на небосводе спутников, среднее значение определяемой позиции и среднеквадратичное отклонение от этого значения за определённый интервал времени).

На рис. 5 представлена информация о качестве сигналов, принимаемых с ИСЗ, выраженная в виде соотношения сигнал/шум измеряемая в Дб, а также порядковый номер каждого из спутников, наблюдаемых в данный момент времени.

На рис. 6а в графическом виде представлена картина расположения спутников на небосводе в определённый момент времени, на которой чётко наблюдаются траектории пролёта каждого из спутников (отмечены зелёной линией), а также номера каждого из них. На рис. 6б в географических координатах представлено среднее значение позиций приемника, среднеквадратичное отклонение, а также реальные отклонения в каждый момент времени.

В результате обработки данных, записанных с GPS - приёмника, с помощью программы VisualGPSXP получаем тестовый файл для дальнейшей обработки.

Описание программы GPSAnalyzer (приложение 1)

Программа GPSAnalyzer предназначена для обработки готовых текстовых файлов, получаемых при помощи VisualGPSXP.

Возможности программы "GPSAnalyzer":

1. Обработка готовых текстовых файлов с различных видов GPS - приёмников.

2. Построение графиков отклонения по широте и долготе в заданный период времени.

3. Построение зависимости параметра PDOP от времени.

4. Создание файлов формата CSV для дальнейшей обработки исходных данных отклонений по широте и долготе, а также параметра PDOP в других программах.



Рис. 7. Графическое отображение ошибки позиционирования по широте и долготе.

Рис. 8. Картина зависимости параметра PDOP от времени.

На рис. 7 графически представлена зависимость отклонения по широте и долготе от времени, выраженная в метрах, с возможностью выбора определённой даты. На рис. 8 изображена графическая зависимость параметра PDOP от времени.

Описание программы GPSPicking (приложение 1)

Предназначена для выборки из файлов формата CSV(перед обработкой необходимо поменять расширение на .txt) строк с данными через заданный интервал, а также создание нового текстового файла с меньшим количеством первичных данных.

2.5 Использование данных сети станций Баренцрегиона - IMAGE

Система IMAGE, разработанная в Финском метеорологическом институте использует данные 30 магнитометрических станций (рис. 9), геофизических организаций различных стран Баренцрегиона: Эстонии, Финляндии, Германии, Норвегии, Польши, России и Швеции. Сеть IMAGE предназначена для изучения процессов в ионосфере, связанных с ионосферными токами, полярными сияниями и распространением радиоволн. Используя эти данные можно получить: магнитограммы станций на цепочке IMAGE, индексы электроджетов, а также их местоположение в динамике. Магнитометры находятся в высоких широтах от 58 до 79 градусов, что особенно благоприятно для исследования ионосферных токов. Вместе с другими комплексами по наблюдениям (радары, риометры и камеры всего неба), а также спутниковыми наблюдениями - IMAGE является важной частью исследований в высоких широтах в магнитосферной - ионосферной физике. IMAGE также обеспечивает высокое качество данных, полезных для исследования вариаций геомагнитного поля и геомагнитной активности в авроральной зоне.

Рис. 9. Сеть магнитометров Баренцрегиона IMAGE

Магнитограмма.

Графическая запись изменения магнитного поля Земли, получаемая при помощи магнитографа в трёх компонентах. В данной дипломной работе автор делает попытку нахождения зависимости изменения ошибки позиционирования GPS - приёмника от состояния магнитного поля Земли в возмущённый промежуток времени (7).

Индексы электроджетов.

По магнитограммам высокоширотной сети станций можно построить картину эквивалентных токов, текущих в ионосфере, ответственных за то или иное возмущение магнитного поля. Такие токовые системы называют эквивалентными, потому что реальные токовые системы трехмерны. Также в дипломной работе предполагается, что возможно влияние на ошибку позиционирования GPS - приёмника также оказывают и процессы, связанные с токами, текущими в ионосфере. При повышении электронной концентрации и появлении неоднородностей авроральной ионосфере изменяются, как характеристики GPS - сигнала, так и параметры токов в ионосфере и поэтому токи могут служить индикатором изменения GPS - сигнала (1).

Пространственно - временные распределения эквивалентных токов.

Из данных наземных магнетометров могут быть рассчитаны ионосферные эквивалентные токи. Это токи которые проходят только в ионосферной плоскости (взятые на высоте 100 км.).

Для наглядности представления зависимости ошибки позиционирования от ионосферных токов, для каждого отдельно взятого случая были использованы графические изображения пространственно временных распределений (в направлении север - юг) эквивалентных токов (7).

2.6 Использование данных наземных наблюдений полярных сияний

Сеть камер Баренцрегиона.

Использование данных оптических наблюдений полярных сияний с помощью камер полного обзора неба (рис. 11б) является важным методом определения воздействия ионосферы на сигналы GPS, так как пространственно-временное распределение интенсивности свечения сияний отражает возмущенность полярной ионосферы (4).

Рис. 10. Камера всего неба

Камеры всего неба регистрируют изображение небосвода в поле зрения 180є, приемником изображения могут служить телевизионные камеры или устройства на приборах зарядовой связи - ПЗС матрицах. На рис. 10 приведен внешний вид камеры, установленной в Кируне. Подобные камеры работают в Финляндии (Соданкюла, Кево, Муонио), в России: на Кольском полуострове и Шпицбергене, в Швеции: в Кируне и Абиско, в Норвегии: в Тромсе и на Шпицбергене. Пункты, оборудованные камерами представлены на рис. 10б. Большинство этих наблюдений представлены в сети Интернет в виде последовательных снимков или кеограмм, размещённых, например, на страницах сайта - (http://www.sgo.fi/Data/AllSky/allskyArchive.php).

Кеограммы используются в анализе авроральных явлений. Они создаются путём выделения вертикальных колонок пикселей из отдельных изображений всего неба (рис.11а) и совмещения колонок друг с другом в заданной временной последовательности.

На рисунках 12а и 12б показан наглядный пример преобразования снимка камеры всего неба в кеограмму за определённый промежуток времени. Например на кеограмме 12б, можно легко обнаружить движущиеся на юг яркие дуги - начало в UT1900.



Рис. 11а. Снимок камеры всего неба со станции Соданкюла, 11б. Сеть камер всего неба и магнетометров Баренцрегиона

Рис. 12а. Пример снимка камеры всего неба, 12б. Пример кеограммы, полученной из данного снимка).

Глава 3. Результаты экспериментов

3.1 Дата эксперимента 14 и 15 декабря 2006 года

Приём GPS-сигнала, проводился в Мурманске с диаграммой направленности приёмника, обеспечивающей обзор 180 таким образом, что все 12 спутников попадали в поле зрения GPS - приёмника. Эксперимент проводился на протяжении 2-х дней, данные дни были выбраны, потому что прогнозировалась геомагнитная активность в ионосфере. В результате были построены временные вариации параметра PDOP, а также вариации отклонений GPS-приёмника от реального местоположения. Сперва планировалось проводить сравнительный анализ вариаций отклонений в обоих компонентах: север - юг, запад - восток с вариациями геомагнитной активности в ионосфере. Но при дальнейшем анализе графиков параметра PDOP и отклонений GPS-приёмника, были выявлены следующие артефакты, которые не позволили непосредственно сравнивать авроральные возмущения с ошибками приёмника GPS: уход спутников за горизонт, влияние стационарных объектов.

На рис. 14 а, б представлено изменение параметра PDOP с течением времени за одинаковые промежутки времени 14 и 15 декабря 2006 года. На рис. 15 а, изображены отклонения в показаниях GPS - приёмника за 14 и 15 декабря 2006 г. Анализируя данные графики, наблюдаем явное сходство экстремумов за оба дня, примерно в одни и те же моменты времени, как между параметрами PDOP, так и в отклонениях. Физически данное явление можно объяснить наличием постоянных стационарных препятствий на трассе сигналов ИСЗ, а также прохождение сигналов ИСЗ по примерно одинаковым траекториям ежедневно из-за периода обращения спутников вокруг Земли в 12 часов (см. рис. 12 а, б - положение спутников на небосводе). Вследствие выше сказанного экстремумы проявляются в оба дня в одинаковые моменты времени, как в вариациях параметра PDOP, так и в вариациях отклонений приёмника. Также был проанализирован параметр сигнал/шум для двух спутников №22 и №28 и построена временная зависимость данного параметра для каждого из них (рис. 13 а, б). Как 14, так и 15 декабря наблюдается аналогичная картина соотношения сигнал/шум для спутников №22 и №28, что показывает наличие стационарной помехи на их трассах в оба из дней. Также было замечено, что падение мощности сигналов на спутниках №22 и №28 совпадает во времени с максимумом вариации PDOP в момент времени - 15:30. Предполагаем, что это было связано с тем, что какой - либо из спутников - 22 или 28 входили в состав созвездия ИСЗ, выбранных GPS-приёмником.

В результате проведения эксперимента 14-15 декабря 2006 г. был использован метод анализа вариаций в предыдущие и последующие дни. Если в предыдущий день вариации PDOP и отклонений были подобны, то считалось, что они вызваны либо стационарными источниками, либо орбитальными изменениями ИСЗ (уход спутников). Таким образом, были внесены некоторые корректировки при анализе последующих дней экспериментов. Это позволило отсеять данные, когда сигналы с ИСЗ подвергались влиянию артефактов, не рассматриваемых при постановке задачи. Также было предложено искусственно преграждать обзор GPS-приёмника, а именно южную часть небосвода, для того, чтобы уменьшить число используемых спутников при определении местоположения приёмником. Для того, чтобы нагляднее анализировать зависимость отклонений GPS-приёмника от возмущений в геомагнитном поле и выявить физический механизм воздействия возмущений в ионосфере на GPS-сигнал - искусственным путём была увеличена ошибка определения координат приёмником, способом, описанным выше, а также таким образом увеличивая чувствительность системы к внешним воздействиям.

Таким образом, на основании выше сказанного при проверке и анализе данных необходимо:

1. В каждом рассматриваемом случае проверять параметр сигнал/шум и PDOP - не связаны ли они со статическими препятствиями для сигнала при движении по орбите.

2. Проверять вариаций отклонений на сходство в одни и теже промежутки времени в близлежащие сутки.

3. Наблюдать за орбитальными изменениями положения ИСЗ.

Рис. 13а. Положение спутников на небосводе в момент времени 15:30 - 14 декабря 2006 г., и 15 декабря 2006 г. - рис. 13б.

навигационный спутниковый приёмник полярный

Рис. 14а. Отношение сигнал/шум спутника №22 - 15 декабря 2006 г., и №28 - рис. 14б.).



Рис. 15а. Вариации параметра PDOP - 14 декабря 2006 г., и 15 декабря 2006 г. - рис. 15б).

Рис. 16а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 14 декабря 2006 г., и 15 декабря 2006 г. - рис.16б.

3.2 Дата эксперимента 25 и 26 марта 2007 года

Эксперимент проводился в Мурманске на протяжении 2-х дней 25 и 26 марта 2007 года.

Особенности эксперимента:

1. Ограниченный обзор спутников(южная часть небосвода перекрыта).

2. Использование ограниченного числа ИСЗ при определении координат приёмником.

На рис. 17 а, б представлен представлены результаты эксперимента в сравнении вариаций отклонений GPS - приёмника (по компоненте север - юг) и кеограммы со станции Соданкюла. На рис. 18 а, б, в результаты эксперимента в виде сравнительного анализа вариаций отклонений GPS - приёмника, вариаций геомагнитных возмущений и индекса IL в одинаковые временные промежутки в каждый из дней эксперимента. Эксперимент полностью соответствует требованиям, сформулированным по данным эксперимента, проведённого 15 декабря 2006 г. Сравнение графиков отклонений GPS - приёмника 25 и 26 марта позволило исключить ситуации, когда, что в оба из дней, в одинаковые промежутки времени наблюдались отклонения. Решено было выделить для рассмотрения промежуток времени с 21:30 до 23:00, так как 25 и 26 марта в этот промежуток времени наблюдаются различные картины в отклонениях. 25 марта в это время очевидно, что система выходит из строя, но в то же время 26 марта в этот же промежуток времени система стабильно работает, это говорит о том, что 25 марта никакой из созвездия спутников не уходил за горизонт и сигнал с них не подвержен влиянию неких стационарных факторов.

Решено было сравнить вариации отклонений за 25 марта с вариациями геомагнитных возмущений взятых с сети станций IMAGE и с вариациями индекса IL (индекс западного электроджета). В результате анализа данных графиков очевидно что 25 марта во время выхода системы из строя наблюдается подъём индекса IL, а также развитие возмущений на всём промежутке времени с 21:30 до 23:00. Однако 26 марта 2007г. при аналогичном сравнении мы видим совершенно иную картину, в промежуток времени с 21:30 до 23:00 индекс IL не показывает сильных изменений в своих вариациях. Аналогичную картину наблюдаем при сравнении графика отклонения за 26 марта с вариациями геомагнитной активности сети станций IMAGE, на протяжении интересующего промежутка времени возмущения в отклонениях и геомагнитных вариациях не совпадают по времени (рис. 19 а, б, в).

Сбой в системе в момент времени 22:48 в оба дня объясняется уходом ИСЗ из созвездия спутников, выбранных GPS- приёмником, за горизонт, так как он происходит как 25 так и 26 марта практически в одинаковые промежутки времени. Наибольшее отклонение в 21:00 можно объяснить наличием стационарных помех на пути сигнала одного из активных спутников при определении координат, так как максимум отклонения в этот момент времени в оба из дней достигает отметки в 50 метров.

Рис. 17а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 25 марта 2007 г., рис. 17б. Кеограмма камеры всего неба в Соданкюла



Рис. 18а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 25 марта 2007 г., рис. 18б. IL - индекс западного электроджета, рис. 18в. Данные с магнетометров сети станций IMAGE



Рис. 19а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 26 марта 2007г., рис. 19б. IL - индекс западного электроджета, рис. 19в. Данные с магнетометров сети станций IMAGE

3.3 Дата эксперимента 21 и 23 декабря 2008 года

Эксперимент с ограниченным обзором небосвода (юго-восточная часть перекрыта) проводился в Апатитах на протяжении 3-х дней с 21 по 23 декабря 2008г.. При исследовании были выбраны 21 и 23 декабря для того чтобы сравнить одинаковые промежутки времени вариаций отклонений в день без геомагнитных возмущений в ионосфере и в день с геомагнитной активностью. Эксперимент исполненный в эти дни также соответствует правилам, выведенным из эксперимента 15 декабря 2006 г., для того чтобы исключить влияние на вариации отклонений GPS - приёмника артефактов, не рассматриваемых в дипломе.

Рассмотрим день 21 декабря. Был выбран промежуток времени с 20:00 до 21:00, так как на всём выбранном интервале при определении координат GPS - приёмника постоянно участвует 3 спутника. Вариации отклонений GPS - приёмника в заданном интервале находятся в пределах допустимой нормы по обоим компонентам - не превышают 15 метров, только по компоненте запад - восток имеются незначительные отклонения, превышающие норму - до 20-ти метров. При рассмотрении вариаций геомагнитной активности в промежуток времени 20:00 - 21:00 не наблюдается каких - либо сильных изменений. Совершенно спокойный день (рис. 20 а, б, в).

Анализируя 23 декабря промежуток времени с 20:00 до 21:00 мы видим совершенно иную картину. Вариации отклонений начиная с 20:30 начинают превышать норму в 15 метров по обоим компонентам, по компоненте запад - восток максимумы достигают до 40 и более метров. Сравнив график отклонений за 23 декабря с графиком вариаций возмущений геомагнитного поля и индекса западного электроджета видим очевидное совпадение распространения возмущений примерно с 20:20 одновременно с увеличением отклонений GPS - приёмника (рис. 20 а, б, в, г).



Рис. 20а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 21 декабря 2008г., рис. 20б. Компоненте запад - восток, рис. 20в. Данные с магнетометра станции Соданкюля



Рис. 21а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 23 декабря 2008 г., рис. 21б. Компоненте запад - восток, рис. 21в. Данные с магнетометра станции Соданкюля, рис. 21г. Индекс западного электроджета

3.4 Дата эксперимента 28 и 29 марта 2013 года

Эксперимент был поставлен по уже заранее разработанной методике, в городе Апатиты с частично закрытым обзором видимости GPS - приёмника, а именно юго-восточной части небосвода. Выбраны 2 близлежащих дня с различными вариациями геомагнитной активности: спокойный день и день с возмущениями. Были построены вариации отклонений определяемых координат GPS - приёмником в один и тот же промежуток времени с 20:30 до 21:00 в оба из исследуемых дней.

При сравнении графиков отклонений в оба из дней можно наблюдать следующую картину: отклонения по компоненте север - юг в оба из дней составляют не более 10 метров, что удовлетворяет техническим характеристикам используемого приёмника. Чего не скажешь о поведении отклонений по компоненте запад - восток. 29-го марта отклонения на всём промежутке времени с 20:30 до 21:00 достигают чуть более 20 метров, с одним максимумом в 30 метров (рис. 22 а, б, в, г). 28-го марта в этот же промежуток времени наблюдается совершенно иная картина максимумы отклонений варьируются от 20 до 40 и более метров (рис. 22 а, б, в, г).

При сравнении графика отклонений GPS - приёмника за 28-ое марта с графиком вариаций геомагнитной активности и индекса западного электроджета мы можем наблюдать непосредственное сходство между экстремумами в моменты времени с 20:40 до 20:45 (рис. 23 а, б, в, г), когда в это же время 29 марта ошибка составляла 20 метров, 28 марта в сравниваемый промежуток времени она составляет свыше 40 метров (рис. 22 а, б, в, г). Что может свидетельствовать о неком влиянии зафиксированного возмущения на сигналы какого - либо из спутников, находящихся в созвездии определяемом координаты приёмника GPS. Интерес данного случая в том, что вариации отклонений GPS-приёмника в с геомагнитной активностью возросли только по компоненте запад - восток, по компоненте север - юг на всём промежутке времени удовлетворяли техническим характеристикам GPS-приёмника.



Рис. 22а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 29 марта 2013г., рис. 22б. Компоненте запад - восток, рис. 22в. Данные с магнетометра станции Соданкюля).



Рис. 23а. Вариации отклонений GPS - приёмника по компоненте север - юг - 28 марта 2013 г., рис. 23б. Компоненте запад - восток, рис. 23в. Данные с магнетометра станции Соданкюля, рис. 23г. Индекс западного электроджета

Обсуждение результатов

Представленные выше данные проведённых экспериментов наглядно показывают, что существует связь между погрешностями позиционирования GPS - приёмника с физическими явлениями происходящими в ионосфере.

Ошибка при таком влиянии может проявляться следующими способами:

1. Увеличение погрешности позиционирования GPS - приёмника.

2. Дезинтеграция системы, что может быть связано с нарушением целостности сигнала одного или нескольких спутников, входящих в созвездие.

3. Увеличение отклонений не только совместно по меридиональной и широтной компонентам, но также и по каждой компонентам в отдельности.

Сопоставление графиков отклонений GPS - приёмника с вариациями геомагнитного поля на цепочке станций IMAGE указывает на хорошее временное совпадение роста погрешностей с отрицательными бухтами в вариациях Х - компоненты поля. Для наглядности данного сопоставления - искусственным путём была преграждена южная часть небосвода. Намеренно увеличив отклонения в показаниях GPS - приёмника и уменьшив число используемых спутников до минимального количества. Даже по приведённым в дипломной работе данным, вариации геомагнитных возмущений, можно считать неким индикатором ошибок позиционирования GPS - приёмника. Показательным в этом плане является промежуток времени с 20:00 до 21:00 в день 23 декабря 2008г. когда ошибка позиционирования начинает возрастать одновременно с увеличением отрицательной бухты в вариациях Х - компоненты поля. Также по результатам эксперимента 15 декабря 2006 года, был выявлен ряд факторов (уход спутников за горизонт, влияние стационарных объектов, погодные условия) обеспечивающих правильную постановку последующих экспериментов. В результате чего мы смогли отсеять большое количество ложных данных, так как имели возможность исключить влияние внешних стационарных источников. Даже когда вариации отклонений совпадали с вариациями геомагнитных возмущений. А происходило это из-за совпадения влияния на сигналы с ИСЗ стационарных помех ежедневно с бухтами в вариациях возмущений. Также на коротком промежутке времени рассматривалось отношение сигнал/шум для двух спутников, который в 5-ти минутный интервал времени падал до 30-ти Дб в оба дня эксперимента, причём в этот же момент времени в геомагнитном поле не зафиксировано никаких изменений. Очевидно что на сигнал в этот промежуток времени оказал влияние некий стационарный фактор, повторяющийся в предыдущий и последующий дни эксперимента.

При рассмотрении эксперимента 25 марта 2007г. очевидно, что влияние геомагнитной активности может проявляться не только на увеличение ошибки позиционирования, путём воздействия на сигналы с ИСЗ, а также возможно их практически полное поглощение или рассеяние, либо нарушение спектра сигнала, вследствие невозможность обработки GPS - приёмником. Эксперимент 28 марта 2013г. показывает, что возможно изменение величины погрешности позиционирования не по обоим компонентам(меридиональной и широтной), но и по каждой из компонент в отдельности, что также совпадает с отрицательными бухтами в магнитном поле Земли. Практическое применение полученных выводов заключается в корректировке методики постановки последующих экспериментов, позволяющих более точно выявить влияние ионосферных факторов на сигналы с ИСЗ, а также отсеять часть ложных данных.

Автор выражает благодарность за руководство работой и проведение практики, связанной с освоением приемной аппаратуры и специализированного программного обеспечения доценту ПетрГУ Черноусу С.А и зав. кафедрой МГТУ Калитенкову Н.В., а также за предоставленное оборудование для проведения эксперимента доценту Федоренко Ю.В.

Заключение

1. Проведены эксперименты по непрерывной регистрации вариаций GPS - сигнала в городе Апатиты в течение декабря 2008 - апреля 2013 г.

2. Разработано программное обеспечение для автоматической обработки информации, получаемой в GPS - приёмнике.

3. Определены факторы (уход спутников за горизонт, влияние стационарных объектов), позволяющие выделить влияние внешних возмущений и стационарных локальных условий на сигнал GPS.

4. На основе сравнения записей вариаций сигнала GPS и вариаций геомагнитного поля на сети станций установлено, что существует зависимость амплитуды отклонений GPS - сигнала от этих вариаций.

5. Выявлены случаи дезинтеграции системы предположительно связанные с развитием геомагнитных возмущений.

6. На основе выборочных оценок вариаций отклонений и параметра сигнал/шум высказывается предположение о возможной реализации физического механизма, влияющего на GPS - сигнал, отличного от влияния вариаций полного электронного содержания на трассе сигнала.

Практические рекомендации

При анализе данных полученных в результате проведения аналогичных экспериментов, описанных в данной дипломной работе необходимо:

1. В каждом исследуемом случае проверять параметр сигнал/шум и PDOP не связаны ли они со стационарными препятствиями для сигнала при движении ИСЗ по орбите.

2. Наблюдать за орбитальными изменениями положения ИСЗ (уход спутников за горизонт).

3. Проверять вариаций отклонений на сходство в одни и те же промежутки времени в близлежащие сутки.

4. Сравнивать изменение параметров сигнал/шум и PDOP, а также орбитальные положения ИСЗ в одни и те же промежутки времени в близлежащие дни эксперимента.

5. Выбирать позицию наблюдений, таким образом, чтобы максимально исключить влияние стационарных объектов на сигналы ИСЗ.

Список используемой литературы

1. Aarons B. Lin, M. Mendillo, K. Liou, M. Codrescu: "GPS phase fluctuations and ultraviolet images from the Polar satellite", J. Geothys. Res., 105, A3, 5201-5213,2010.

2. Andrew M. Smith, Cathryn N. Mitchell, Robert J. Watson, Robert W. Meggs, Paul M. Kintner, Kirsti Kauristie, Farideh Honary: "GPS scintillation in the high arctic associated with an auroral arc", Space weather, 6, 2012.

3. C.R. Coker, I. Husucker, and G. Lott Detection of auroral activity using GPS satellites Geoph.Res.Lett, 22, р. 3259, 1995.

4. Irk Shagimuratov, Ivan Ruzhin, Nadezhda Tepenitsyna; "Phisics of Auroral Phenomena"- Storm-time occurrence of TEC fluctuations associated with polar patches using GPS measurements, рр. 61-64, 2013.

5. В.Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М. "Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС", ИПРЖР, 2008.

6. Д.А. Сидоров, Дипломная работа "Ошибки позиционирования с помощью GPS сигнала в полярных областях и авроральная активность", рукопись, 38, 2008.

7. Э.Л. Афраймович, Н.П. Перевалова "GPS мониторинг верхней атмосферы Земли", Иркутск, 2012.

8. http://www.geo.fmi.fi/image/

9. http://www.sgo.fi/

10. http://pgia.ru/PGI_Data/Default.htm

Приложения

Приложение 1

Работа с программой GPSAnalyser

1. Загрузить текстовый файл с первичными данными, полученными с помощью программы VisualGPSXP.

2. Провести анализ данных и построить вариации отклонений в выбранный день.

3. В папке с первичными данными появятся 2 файла с названием даты построенных вариаций отклонений, имеющих расширение .CSV и .CSV_AVR.

4. Файл с расширением .CSV - системный, его можно удалить, а вот расширение файла .CSV_AVR необходимо изменить в .TXT.

5. С помощью программы GPSPicking если требуется сократить количество данных (например 1 строка данных в минуту, вместо каждой секунды), обработать получившийся файл с расширением .TXT, заранее выбрав в программе требуемый промежуток времени между строками в новом файле.

6. Получившийся файл необходимо запустить в блокноте и произвести замену: сперва все " , " поменять на " ; ", а затем все " . " заменить на " , ". Теперь файл пригоден для обработки в программе Exсel, чтобы возможно было построить графики вариаций отклонений в нужный промежуток времени.

Приложение 2

Дата эксперимента 24 февраля 2013 г.



Дата эксперимента 25 февраля 2013 г.



Параметр PDOP 24 и 25 февраля 2013 г.

Картины спутников за 24 и 25 февраля соответственно.

Приложение 3

Дата эксперимента 15 февраля 2013 года.



Дата эксперимента 16 февраля 2013 года.

Размещено на Allbest.ru

...