Фазовые методы определения ионосферной задержки в одночастотной и двухчастотной аппаратуре работающей по сигналам ГНСС

Размещено на http://www.allbest.ru/

Фазовые методы определения ионосферной задержки в одночастотной и двухчастотной аппаратуре работающей по сигналам ГНСС

Н.С. Куличкова, К.А. Куличков, А.В. Гребенников

Аннотация

В данном докладе рассматриваются методы уменьшения погрешности, связанной с задержкой навигационного сигнала при прохождении от космического аппарата до навигационной аппаратуры потребителя через ионосферу Земли. Представлены результаты практического применения двух методов, предназначенных для использования в одночастотной и двухчастотной приемной аппаратуре.

Ключевые слова: ГНСС; псевдодальность; ионосферная задержка; одночастотный метод; двухчастотный метод.

In this article, methods are considered to reduce the error, associated with the delay of navigation signal as it passes from navigation satellite to navigation equipment consumer through the Earth ionosphere. The results of practical application of two methods intended for use in single-frequency and dual-frequency receiving equipment are presented.

Keywords: GNSS; pseudorange; ionospheric delay; single-frequency method; dual-frequency method.

Введение

Расширение сферы применения современных глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) требует повышения точности навигационных измерений. Погрешность определения координат и времени зависит от погрешности измерения псевдодальностей по сигналам ГНСС. Погрешность измерения псевдодальностей навигационной аппаратурой потребителя (НАП) обусловлена множеством факторов, наиболее весомыми из них являются погрешности эфемеридно-временного обеспечения, задержка сигнала в ионосфере и тропосфере, многолучевое распространение сигнала. Существенный вклад по имеющимся оценкам в погрешность измерения навигационной аппаратуры потребителя (НАП) ГНСС псевдодальностей вносит задержка сигнала в ионосфере, обусловленная интегральной электронной концентрацией (ИЭК) вдоль пути распространение сигнала.

Стандартным методом определения ионосферной задержки считается использование разности кодовых псевдодальностей на диапазонах L1 и L2, при этом данный метод имеет ряд недостатков:

- кодовая псевдодальность имеет большую случайную погрешность в том числе за счет влияния многолучевости, что приводит к увеличению случайной погрешности определения ионосферной задержки и, соответственно, координат;

- для корректного использования метода необходима калибровка разности задержек в трактах приемника в диапазонах L1 и L2, (что является достаточно трудоемким процессом), а также передающих трактах НКА [1];

- невозможность использования в одночастотной НАП.

Решением проблемы определения ионосферной задержки для одночастотной НАП стало использование моделей, основанных на предоставлении данных о состоянии вертикальной задержки сигнала в ионосфере. К таким моделям можно отнести модель ионосферы GPS (Klobuchar), IRI-2016, NeQuick2 и данные аналитического центра IGS. Использование указанных моделей также имеет недостатки, например, модель ионосферы Klobuchar имеет недостаточно частое обновление коэффициентов, что приводит к существенному расхождению текущего состояния ионосферы от предсказанного, а модели IRI-2016, NeQuick2 и IGS передают полученные данные через интернет ресурс, что усложняет использование в реальном времени.

Альтернативные методы определения ионосферной задержки, использующие результаты измерений по реальным навигационным сигналам, не имеют вышеперечисленных недостатков и позволяют в реальном масштабе времени определить значение ионосферной задержки для каждого спутника, чтобы уменьшить ее влияние на погрешность определения координат. погрешность ионосферный навигационный задержка

1. Одночастотный метод определения ионосферной погрешности

Одночастотный метод определения задержки сигнала в ионосфере, разработанный в лаборатории GPS Стенфордского университета (США) в 1992 г., является одним из первых методов, в котором используется разность кодовой и фазовой псевдодальностей [2]. Метод имеет большую вычислительную сложность так как подвержен влиянию срывов слежения за фазовой псевдодальностью, что приводит к формированию нового вектора состояния фильтра Калмана. Данный факт снижает быстродействие и устойчивость работы, уменьшает скорость сходимости алгоритма, реализующего рассматриваемый метод.

В Красноярском государственном техническом университете в 2003 году был разработан альтернативный одночастотный метод, основанный на применении в расчетах разности изменений кодовой и фазовой псевдодальностей, а также однослойной модели ионосферы [3]. Алгоритм определения ионосферной задержки в данном методе разбивается на два этапа.

На первом этапе рассчитывается вертикальная задержка (угол места НКА = 90⁰) сигнала в ионосфере по каждому НКА, с последующим нахождением среднего значения I_v по имеющемуся набору спутников (1).

(1)

где Дr_j(k) - приращение кодовой псевдодальности; Дц_j(k) - приращение фазовой псевдодальности; ДOb(г_j(k)) - приращение отображающей функции; г_j(k) - угол места НКА; j = 1... N - номер спутника; k - дискретное время.

На втором этапе производится пересчет вертикальной задержки в наклонную (угол места НКА < 90⁰) (2) с использованием отображающей функции (3).

(2)

(3)

где R - радиус Земли; h - высота слоя ионосферы.

Использование разности приращений кодовой и фазовой псевдодальностей позволило значительно уменьшить вычислительную сложность метода оценки задержки сигнала в ионосфере по сравнению с ранее разработанным [2].

2. Двухчастотный фазовый метод определения ионосферной погрешности

В двухчастотной НАП для оценки ионосферных задержек можно использовать разности не кодовых, а разности фазовых псевдодальностей.

Опираясь на одночастотный метод определения ионосферной задержки, предусматривающий оценку вертикальной ионосферной задержки и ее пересчет в наклонную через отображающую функцию, был разработан двухчастотный фазовый метод, основанный на разности приращений фазовых псевдодальностей на диапазонах L1 и L2 [4]. Алгоритм определения ионосферной задержки разделяется на три этапа.

На первом этапе рассчитывается вертикальная задержка сигнала в ионосфере (4).

 (4)

где Дц_1j(k) - приращение фазовой псевдодальности диапазона L1; Дц_2j(k) - приращение фазовой псевдодальности диапазона L2; м - отношение квадратов несущих частот на диапазонах L1 и L2.

На втором этапе рассчитывается значения изменения ионосферной задержки (5) для каждого спутника.

(5)

На третьем этапе рассчитывается значение ионосферной задержки для каждого спутника (6).

(6)

где I_v•Ob(г_j(1)) - оценка начального значения ионосферной задержки, сформированная по значению угла места спутника на начальном слежении за сигналом НКА.

Преимущество метода заключается в том, что для нахождения ионосферной задержки не требуется калибровка аппаратуры, кроме того использование фазовых псевдодальностей обуславливает малую (единицы сантиметров) случайную погрешность определения значений ионосферной задержки.

3. Практическое сравнение методов

Для сравнения эффективности представленных методов, был проведен суточный эксперимент на навигационной аппаратуре с антенным модулем, расположенным в точке с известными координатами. На рисунке 1 и рисунке 2 представлены результаты оценки ионосферной задержки по двум НКА ГЛОНАСС.

Рис.1. Ионосферные задержки для НКА ГЛОНАСС №3

Рис.2. Ионосферные задержки для НКА ГЛОНАСС №7

Сравнение показывает, что ионосферная задержка, рассчитанная по одночастотному методу, имеет среднеквадратичное отклонение (СКО) примерно 1 м, а СКО ионосферной поправки двухчастотного фазового метода не превышает 2 см.

Был проведен расчет погрешности определения координат с использованием поправок полученных по результатам оценки ионосферной задержки одночастотным и двухчастотным фазовым методами.

Для более точной оценки погрешности рассчитанных координат кроме коррекции ионосферной задержки, была реализована коррекция тропосферной и инструментальной задержки [5], а также использованы оценки точных эфемерид ГЛОНАСС, полученных от аналитического центра IGS (EMX) в формате SP3.

Результат оценки погрешности координат в ТЦСК по НКА ГЛОНАСС, представлен в таблице 1.

Таблица 1. Погрешность определения координат в ТЦСК

Заключение

В статье были рассмотрены методы уменьшения ионосферной задержки как в одночастотной, так и в двухчастотной аппаратуре. Сравнение полученных ионосферных задержек показывает, что результат расчёта поправки с использованием двухчастотного фазового метода имеет меньшее СКО не превышающее 2 см. Анализ погрешности определения координат показывает, что представленные методы уменьшают ионосферную задержку и смещают среднее значение (МО) погрешности определения координат к истинному. Наилучшее определение ионосферной задержки показал фазовый двухчастотный метод, но отличие от одночастотного для многих считается незначительным. Так как фазовый двухчастотный метод является недавно разработанным методом, требуется продолжения исследований и усовершенствование данного метода.

Литература

1. Куличкова Н. С., Куличков К. А., Гребенников А. В. Результаты сравнения методов определения ионосферной погрешности сигналов ГЛОНАСС // Сборник научных трудов XX Всероссийской научно-технической конференции молодых ученных и студентов с международным участием «Современные проблемы радиоэлектроники», 2017. - С. 129-133.

2. 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.

3. Казанцев М. Ю. Уменьшение погрешности навигационных измерений в одночастотной аппаратуре потребителя систем ГЛОНАСС и GPS за счет учета влияния ионосферы: дис. …канд. техн. наук: 05.12.04. - Красноярск, 2003. - С. 146.

4. Куличкова Н. С., Куличков К. А., Гребенников А. В. Исследование варианта реализации метода коррекции ионосферной погрешности ГНСС по фазовым измерениям в различных частотных диапазонах // Международный научно-технический журнал «Успехи современной радиоэлектроники», 2017, №12. - С. 53-57.

5. Куличкова Н. С., Куличков К. А., Гребенников А. В. Результаты оценки инструментальной задержки определения беззапросной дальности по сигналам ГЛОНАСС и GPS // Международный научно-технический журнал «Успехи современной радиоэлектроники», 2018, №12. - С. 49-52.

Размещено на Allbest.ru