Разработка методики оценки эффективности широкодонных спутниковых систем при решении геодезический задач

Короткий опис

Введение...4

1. Широкозонные системы геостационарного дополнения...7

1.1. Общие принципы работы...7

1.2. Расчёт зоны радиовидимости геостационарного спутника...16

1.3. Ошибки, которые можно уменьшить при помощи коррекций от геостационарных спутников...21

1.3.1. Факторы, влияющие на точность...21

1.3.2. Ошибки положения навигационных спутников...22

1.3.3. Влияние ионосферы на результаты спутниковых определений ..25

2. Теоретическая оценка эффективности применения

коррекций от геостационарных спутников...32

2.1. Общие положения по оценке эффективности...32

2.2. Теоретическая оценка с помощью моделирования...34

2.3. Основные принципы практических методик оценки эффективности...44

2.4. Этапы оценки с использованием одного приёмника...46

2.5. Этапы оценки с использованием двух приёмников...47

3. Экспериментальная оценка эффективности применения коррекций от геостационарных спутников...49

3.1. Постановка задачи...49

3.2. Программа и результаты выполнения эксперимента...50

3.2.1. Программа эксперимента...50

3.2.2. Определение точных координат фазового центра антенны

в Москве фазовым методом...51

3.2.3. Сравнение результатов для двух спутниковых приёмников

в Москве...54

3

3.2.4. Сравнение результатов для одного спутникового приемника

в городе Санта Клара (США)...65

3.3. Анализ полученных экспериментальных данных...76

Заключение...82

Список использованной литературы...84

Приложение 1...88

Приложение 2...90

Приложение 3...91

Приложение 4...92

Приложение 5...94

Приложение 6...95

Приложение 7...96

Приложение 8...97

Приложение 9...98

Приложение 10...101

Приложение 11...121
Введение

Введение

В последнее время спутниковые навигационные системы претерпевают ряд изменений по части улучшения. К таким изменениям относится добавление общедоступного С/А кода на частоте L2, а также третьего гражданского сигнала в диапазоне L5 для системы GPS, и ввод в 2008 году европейской СНС.

В настоящее время создание навигационной и геодезической аппаратуры идет по пути её совершенствования и модернизации. Фирмами-изготовителями осуществляется внедрение новых высоких технологий и методик обработки данных в спутниковую аппаратуру потребителя и программные средства. Такие технологии позволяют производить геодезические работы в реальном времени по точности на уровне сантиметров, это RTK (Real Time Kinematics - кинематика в реальном времени), концепция виртуальных базовых станций VRS (Virtual Reference Station) и т.д.

В настоящее время идёт развитие систем геостационарного дополнения (SBAS-Satellite Based Augmentation System) для навигационных систем, таких как GPS. Указанные системы дополнения в литературе часто называют также широкозонными подсистемами спутниковой дифференциальной навигации, поскольку геостационарные спутники позволяют расширить зону, которую можно обеспечить дифференциальными поправками, а следовательно, существенно повысить точность определения местоположения на значительно больших территориях. При этом появляется возможность использования простых, компактных и относительно недорогих спутниковых приёмников, позволяющих решать навигационно-геодезические задачи. Широкозонные подсистемы могут найти применение при решении задач морской геодезии, геодезии, точной навигации, ГИС и т.д.

Работа широкозонных систем основана на формировании корректирующей информации в виде поправок к эфемеридным данным и параметрам ионосферной модели и передаче такой информации всем

I/

5

пользователям через геостационарный спутник. При этом не требуется какого-либо дополнительного оборудования к спутниковому приёмнику (например, радиомодема). Задача решается с помощью обычной спутниковой антенны и спутникового приёмника, правда, для этого необходимо изменить программный код приёмника.

Хотя широкозонные подсистемы с использованием геостационарных спутников применяются уже несколько лет, до сих пор не решена задача установления количественных критериев для оценки эффективности применения геостационарных спутников в зависимости от расположения

спутникового приёмника по отношению к станциям слежения, входящих в эту .

V систему. В диссертации предпринята попытка.решения этой задачи, которая /

представляется актуальной и практически значимой.

Цель диссертации и ее научная новизна заключается в разработке методики оценки эффективности широкозонных систем, использующих сочетание глобальной спутниковой системы позиционирования и системы геостационарных спутников. Для достижения поставленной цели автором выполнены исследования теоретического и экспериментального характера:

1. теоретически оценена эффективность применения широкозонной системы в зависимости от числа навигационных спутников, получающих поправки от геостационарных спутников;

2. установлены основные критерии для практической оценки эффективности применения систем геостационарных спутников. Разработаны две методики для практической оценки эффективности;

3. проведены экспериментальные исследования по разработанным и предложенным методикам как внутри области, образованной станциями слежения, так и за её пределами (на примере приёмника DG-14/16 компании Thales Navigation);

4. практически оценена эффективность использования широкозонных систем (со спутниками GPS) в различных условиях. \ /

6

Данная работа является одним из немногих исследований в области использования систем геостационарных спутников при решении навигационно-геодезических задач и первой попыткой разработки общей концепции оценки эффективности таких систем. На защиту выносятся:

1. теоретическая оценка эффективности применения систем геостационарных спутников (модельный расчёт);

2. методики для практической оценки эффективности применения систем геостационарных спутников;

3. экспериментальные результаты и выводы, полученные из сравнительных измерений по предложенным методикам.

I. Широкозонные системы геостационарного дополнения

1.1. Общие принципы работы

В режиме WADGNSS (Wide Area Differential Global Navigation Satellite System) передаются коррекции, дополнительные дальномерные сигналы (пока на частоте L1 для системы GPS) от геостационарных спутников (ПСА или, как их ещё называют, GEO), а также информация о надёжности навигационных аппаратов (ГКА или GPS спутников). Особенностью подсистемы SBAS (Satellite Based Augmentation System) является то, что навигационный приемник принимает только отдельные составляющие дифференциальной коррекции, определенные сетью наземных станций слежения [13,47], развернутых на большой географической зоне (например, вся Северная Америка или Европа). Некоторые составляющие этой коррекции обычно определяются для заданных источников ошибок (например, задержка распространения сигнала в ионосфере, погрешности эфемерид, уход шкалы времени спутниковых навигационных часов) и учитываются или в аппаратуре пользователя, или в подключенном к навигационному GNSS (Global Navigation Satellite System) приемнику персональном компьютере при вычислении координат местоположения объекта в пространстве. Как правило, коррекции передаются в реальном времени всем заинтересованным пользователям через геостационарные спутники связи (типа Inmarsat). Концепция SBAS обеспечивает практический подход для развития Всемирной сети дифференциальной GNSS.

Система геостационарного дополнения предназначена для обеспечения более высокого уровня надёжности, доступности и точности. Функционально такая система состоит из наземного и космического сегментов. Космический сегмент включает геостационарные спутники GEOS (типа Inmarsat, Artemis и др.). Важно отметить, что они используются не только как ретрансляторы получаемой с Земли информации, передающие её

пользователям в более широкой зоне. В общем случае геостационарные спутники предназначены для [11,20,25,47]:

• ретрансляции сформированных на Земле сообщений о работоспособности навигационных и геостационарных спутников, а также о поправках к эфемеридным данным, шкалам времени и параметрам ионосферной модели;

• передачи навигационного GPS-подобного сигнала на частоте L 1=1575,42 МГц (применительно к системе GPS), который увеличивает доступность, точность и надёжность спутниковых определений.

Наземный сегмент включает [11,13,20,47]:

• контрольные станции слежения системы, предназначенные для контроля и наблюдения за состоянием навигационного поля. На этих станциях стоят двухчастотные геодезические приёмники, которые осуществляют непрерывный сбор данных от всех навигационных спутников;

• главные станции системы или мастер-станции, предназначенные для обработки данных мониторинга и наблюдений с контрольных станций системы;

• наземные станции передачи данных космическому сегменту, которые должны осуществлять связь между контрольными станциями системы и геостационарными спутниками.

На рис. 1.1 приведена схема работы системы геостационарных спутников с навигационной системой.

ГКА (GEO)

Навигационный спутник

Мастер станция системы SBAS I Потребитель

Рис. 1.1. Схема работы дифференциальной подсистемы геостационарного дополнения

Контрольные станции системы, главные станции системы и наземные станции передачи данных объединяются в единую сеть посредством соответствующих каналов передачи и обработки данных.

Система выполняет следующие функции [11,17,20,32,47]:

• сбор данных от всех находящихся в поле радиовидимости навигационных спутников;

• определение ионосферных коррекций;

• контроль надёжности навигационных спутников;

• определение и уточнение параметров орбит навигационных спутников;

• определение коррекций орбит и временных поправок для навигационных спутников;

I/

10

• обеспечение потребителей корректирующей информацией и дополнительными измерениями псевдодальностей, позволяющими повысить надежность и точность спутниковых определений;

• обеспечение независимого контроля выходных данных предыдущих шести функций перед их использованием потребителями;

• обеспечение работоспособности и нормального функционирования системы.

Блок-схема системы геостационарных и навигационных спутников представлена на рис. 1.2 [20,25].

I'S cnyiiiKK.il

GPS'SBAS niMbJ

— — — — — — .__ ч

1) Сиор

ДЛННМЧ

2} Опрсле.тенке ионосферных коррекций С КО спутник

У) Определение ciiyiHiit;on Г 1 Г 7 Исрела-iaSBAS коррекций и

... w Г 1

1

"1 • «рСД* СТЗиЛС*!"^ лоно.чип c.ibHui о

коррекций ueiamicuMux ланных и контроль сигнала

1 г

J L

ucaucitujcni сил с мы

SHAS свягь Chi нал or Gh()-cnyinnk3

Х Рл'ога и мсицсртсэни? системы GPS cniiixi

Рис. 1.2. Блок-схема системы SB AS

11

В геостационарных системах дифференциальной навигации (WADGNSS) используется принципиально иной метод формирования дифференциальных коррекций. Этот метод получил название в зарубежной литературе the state-space approach (дословно - метод коррекции параметров пространства состояния или, более содержательно, метод коррекции параметров моделей движения спутников, параметров модели ионосферных задержек и смещений шкал времени навигационных спутников) [11,13,17]. В геостационарных системах результаты измерений двухчастотными геодезическими GNSS приёмниками (функция 1 на рис. 1.2), расположенными на станциях сбора информации, собираются в единый центр (мастер-станция), где осуществляется их совместная обработка с целью оперативного уточнения параметров моделей движения навигационных спутников, смещения шкал времени спутников и составления карт вертикальных ионосферных задержек (функции 2, 3 и 4 на рис. 1.2) [11,13]. Все перечисленные выше данные затем оперативно передаются тем или иным способом в аппаратуру потребителя (функция 7 на рис. 1.2), которая использует их для уточнения своего местоположения. Существует сильная зависимость между ошибками оценки смещений шкал времени и ошибками оценки высоты приёмника [11,13,20]. Использование рубидиевых генераторов в приёмниках на станциях слежения и в спутниковом приёмнике пользователя позволяет лучше разделять ошибки оценки смещения шкал времени и вертикального положения приёмника [11,13].

Дополнительным, но очень важным свойством геостационарных систем является возможность резкого повышения надёжности определения координат (функция 6 на рис. 1.2), по сравнению с надёжностью, свойственной «обычным» спутниковым навигационным системам [11,13].

Три основных вида программного обеспечения используются для функционирования геостационарных систем дифференциальной навигации [11,13,20]:

• программное обеспечение для уточнения параметров орбит и смещения шкал времени навигационных спутников;

12

• программное обеспечение для вычисления подробных карт вертикальных ионосферных задержек;

• программное обеспечение, организующее непрерывное функционирование наземной сети дифференциальной системы в реальном времени.

Можно выделить статический, кинематический и динамический методы уточнения эфемерид навигационных спутников и смещения шкал времени этих спутников [11,13,47]. В статическом методе решается так называемая обратная пространственная линейная засечка. Путём обработки измерений двухчастотных геодезических приёмников, осуществляемых одновременно от нескольких наземных пунктов наблюдения с известными координатами, определяются местоположения и смещения шкал времени навигационных спутников, находящихся в зоне радиовидимости наземных пунктов слежения. При этом не учитываются динамические данные, заключающиеся в сильной зависимости пространственного положения спутников в соседние моменты времени [11,20]. В кинематическом методе дополнительно оцениваются составляющие мгновенного вектора скорости также без учёта динамической информации. В наиболее точном динамическом методе оценивается определённый набор параметров орбиты спутников (элементов орбиты), смещения шкал времени этих спутников и наземных пунктов слежения, а также некоторых дополнительных параметров, при которых модельные значения наилучшим образом согласуются с результатами реальных измерений на длительных интервалах времени. Преимуществом динамического метода является его возможность весьма эффективно разделять оценки эфемерид и смещения шкал времени ИСЗ. Если информация о движении спутника не используется, то раздельная оценка эфемерид и смещения шкал времени затруднительна, и точная оценка возможна только для суммы обеих компонент [11,13].

13

Следует отметить, что проведённые в компании Thales Navigation исследования позволяют сделать вывод о том, что скорректированные эфемеридные данные близки по точности к эфемеридным данным SP3 формата. Они доступны через несколько дней после проведения наблюдений. Такого типа данные могут быть получены через каналы Интернет через несколько дней после выполнения измерений и являются весьма точными.

Обработка измерений в геостационарных системах осуществляется путём фильтрации относительно референсной (опорной) траектории, для построения которой используются следующие модели [11,13]:

• гравитационная модель (JGM-3), учитывающая 1212 гармоник гравитационного поля Земли;

• влияние гравитационных полей только Солнца и Луны в задаче трёх тел;

• гравитационные искажения формы Земли и океанические приливы;

• модель прямого солнечного давления.

В литературе встречается описание двух методов вычисления детальных карт вертикальных ионосферных задержек [11,13]:

• в основе первого метода, называемого нелинейной статической оценкой, лежит вычисление оценок параметров простой модели вертикальных ионосферных задержек Клобучара. Информация о задержках извлекается из двухчастотных измерений навигационных приёмников, установленных на станциях сбора информации;

• во втором методе ионосфера представляется как оболочка над Землёй в системе координат, фиксированной относительно Солнца (одной из осей является линия, соединяющая центры Земли и Солнца). Ионосфера в такой системе не зависит от вращения Земли и, следовательно, не зависит от местного времени. Оболочка делится на треугольные элементы. Значение интегральной электронной концентрации (ТЕС) в вершине

14

каждого треугольника трактуется как случайный параметр и оценивается с помощью Калмановского фильтра.

Система WAAS (Wide Area Augmentation System) принадлежит правительству США. Она развёрнута и эксплуатируется на территории США. Также существует европейская (EGNOS) и японская системы, обеспечивающие дифференциальной информацией территории Европы и Японии с приграничными районами. В системе WAAS, в зависимости от класса точности, потребитель может использовать карты вертикальных ионосферных задержек разной точности. Наиболее подробные карты содержат до 929 точек прокола ионосферы (точки, для которых известны вертикальные ионосферные задержки) или просто «ионосферных точек» [11,14,15,17].

Так как при работе геостационарных систем осуществляется уточнение параметров орбит GPS спутников (включая время), то разумно предположить, что в режиме S/A, предназначенным для искусственного загрубления точности путем искажения эфемерид или часов GPS спутников, можно количественно оценить это искусственное загрубление путём решения задачи системы SB AS. To есть имеется возможность быть постоянно обеспеченным эфемеридами с высокой точностью, вне зависимости от того, какое решение в отношении GPS примет министерство обороны США.

Текущее расположение наземных станций слежения систем EGNOS и WAAS представлено в Приложении 6, а информация относительно геостационарных спутников систем EGNOS, WAAS, MSAS дана в Приложении 7.

Таким образом, при использовании сигналов от геостационарных спутников улучшается точность за счет [20]:

• использования уточненных данных об эфемеридах;

• использования уточненной модели ионосферы;

15

• использования дополнительного GPS сигнала (или дополнительных сигналов) от геостационарных спутников системы.

Следует отметить, что в геостационарных системах предусмотрено два типа корректирующих данных для навигационных спутников: быстрый и медленный. Быстрые коррекции необходимы для учёта быстроменяющихся (короткопериодических) данных (короткоперйодная составляющая поправки к часам навигационных спутников), в то время как медленные коррекции необходимы для учёта медленноменяющихся (долгопериодических) составляющих (эфемериды навигационных спутников и долгопериодная составляющая к часам навигационных спутников).

Так как в сигнале, передаваемом с геостационарного спутника, содержится кодированная информация о коррекциях состояния, то дадим описание входящим в этот сигнал сообщениям. Весь перечень этих сообщений представлен в табл. 1.1 [20,41].

Состав сообщений, передаваемых

с геостационарного спутника

Таблица 1.1

Номер сообщения Содержание сообщения

0 Использовать или не использовать геостационарный спутник

1 Номер спутника согласно PRN (Pseudo Range Noise)

2-5 Информация о короткопериодных коррекциях

6 Информация о целостности

7 Фактор ухудшения точности короткопериодных коррекций

8 Зарезервировано для будущих сообщений

16

9 Эфемеридная информация о геостационарном спутнике (X,Y,Z, время и т.д.)

10 Параметры деградации

11 Зарезервировано для будущих сообщений

12 Параметры расхождения шкал системного времени SBAS и времени UTC

13-16 Зарезервировано для будущих приложений

17 Альманах геостационарного спутника

18 Данные об ионосферной сетке (координаты точек «прокола»)

19-23 Зарезервировано для будущих сообщений

24 Смешанные коррекций для эфемерид спутников

25 Долгопериодные коррекции эфемерид

26 Информация о вертикальных ионосферных задержках (применительно к частоте L1 в GPS)

27 Служебная информация

28 Ковариационная матрица для ошибок часов и эфемерид

29-61 Зарезервировано для будущих сообщений

62 Резервируется для внутреннего пользования и отладки самой подсистемы

63 Нулевое сообщение

1.2. Расчёт зоны радиовидимости геостационарного спутника

Ввиду того, что одной из задач геостационарного спутника является передача коррекций, произведём расчёт зоны радиовидимости, которая соответствует геостационарному спутнику, а также рассчитаем площадь, которую можно покрыть одним спутником. Это необходимо сделать для того, чтобы узнать, какую территорию можно покрыть корректирующей информацией с помощью одного геостационарного спутника. При этом

17

сравним эти параметры с зоной радиовидимости и площадью, которые соответствуют спутникам GPS.

Для простоты вычислений примем Землю за шар с радиусом R=6371 км. Для вычисления будем использовать схему, представленную на рис. 1.3 [5].

Рис. 1.3. Вычисление зоны радиовидимости

Из треугольника ОАС, пользуясь теоремой синусов, нетрудно установить, что угол р определяется соотношением:

р = arccos(^) - 5,

(l.i)

где R - радиус Земли, Н - высота орбиты спутника, S— минимальная высота спутника над горизонтом, при которой возможен надёжный приём радиосигналов (обычно этот угол составляет 10°, однако последние модели спутниковых приёмников позволяют осуществлять уверенное отслеживание навигационных спутников при угле возвышения 5°).

Список литературы