ОБЩИЕ ВОПРОСЫ МЕТРОЛОГИИ И ИЗМЕРИТЕЛЬНОЙ ТЕХНИКИ
621.3.088
Оценка точностных характеристик аппаратуры записи и воспроизведения сигналов космических навигационных систем
А. М. КАВЕРИН, Д. С. ПЕЧЕРИЦА
Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических
и радиотехнических измерений, Менделеево, Россия, e-mail: pecheritsa_ds@vniiftri.ru
Рассмотрен метод оценки точностных характеристик аппаратуры записи-воспроизведения сигнала глобальных навигационных спутниковых систем. Метод основан на определении искажений задержек сигнала от разных навигационных космических аппаратов.
Ключевые слова: глобальная навигационная спутниковая система, ГЛОНАСС, рекордер, навигационный сигнал.
A new method of estimating the accuracy characteristics of global navigation satellite systems (GNSS) signal record and playback devices is considered. It is based on determination of distortions of delay of signal from different space navigation devices and allows to estimate the level of these distortions.
Key words: global navigation satellite system (GNSS), GLONASS, recorder, navigation signal.
В настоящее время для оценки точностных характеристик координатно-временных средств измерений используют два основных метода: имитационный и натурных испытаний.
Имитационный метод основан на применении имитаторов сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) и характеризуется высокой воспроизводимостью условий эксперимента, а также возможностью испытаний специализированной навигационной аппаратуры потребителей (НАП) ГНСС, например авиационной или космической. Однако имитаторы довольно дороги, а сигнал от них не может повторить реальный со всеми присущими ему особенностями, такими как многолучевость, помехи, затенения от различных объектов.
В методе натурных испытаний эти недостатки отсутствуют, опыты выполняют с помощью реального сигнала в реальных условиях (городская застройка, лес, водные пространства и др.). Тем не менее способ имеет ограничения по диапазону доступных скоростей и ускорений, для него требуются специализированные полигоны и транспортные средства, он характеризуется плохой воспроизводимостью условий испытаний.
Появление доступных широкому кругу потребителей устройств записи-воспроизведения сигнала ГНСС (рекордеров навигационного сигнала (РНС)), позволило применять метод, сочетающий преимущества имитационного и натурного подходов. С помощью РНС можно проводить испытания с высокой воспроизводимостью условий и использованием реального сигнала, без потребности в специальных полигонах и транспортных средствах. Стоимость подобных устройств существенно ниже стоимости имитаторов сигналов ГНСС.
Принцип работы РНС следующий. Сигналы фильтруются в полосе частот, соответствующей диапазонам систем
ГЛОНАСС и GPS. Отфильтрованные сигналы переносятся на более низкую промежуточную частоту. Затем происходит их оцифровка аналого-цифровым преобразователем (АЦП) и запись в запоминающее устройство. При воспроизведении происходит обратный процесс: оцифрованный сигнал преобразуется цифроаналоговым преобразователем (ЦАП) и переносится с промежуточной частоты на частоту навигационного сигнала. Производители РНС не нормируют никаких метрологических характеристик, сообщается только разрядность АЦП, записываемые частотные диапазоны, объем запоминающего устройства.
Исходя из требований, предъявляемых к НАП, для имитаторов сигналов ГНСС нормируются следующие метрологические характеристики: среднеквадратические отклонения (СКО) погрешностей формирования псевдодальности по фазе кода и фазе несущей частоты, радиальной псевдоскорости, а также временные задержки, обусловленные частотной зависимостью. Аналогичные характеристики необходимо оценивать и для РНС.
Для анализа характеристик имитаторов применяют методы, основанные на использовании осциллографов. Обязательными условиями при этом являются возможность воспроизведения сигнала только одного навигационного космического аппарата (НКА) с большой мощностью (на уровне не ниже -70 дБВт), а также выдача имитатором метки времени, соответствующей системной шкале. У РНС таких возможностей нет, поэтому методы, используемые для имитаторов сигналов ГНСС, применять нельзя. Для оценки точностных характеристик РНС предлагается следующий метод.
Метод оценки точностных характеристик РНС. Суть метода заключается в одновременной работе прецизионной НАП ГНСС и РНС от одной антенны. С помощью НАП изме-
ряют беззапросные дальности (псевдодальности) по фазе дальномерного кода и фазе несущей частоты до всех видимых НКА, а РНС записывает сигналы ГНСС. Впоследствии РНС воспроизводит записанный сигнал, а приемник уже по нему измеряет псевдодальности.
Псевдодальности до каждого аппарата рассчитывают на основе разницы между моментами излучения с игнала с бо рта НКА и поступления сигнала в приемник, при этом в файлах формата RINEX [1] содержатся псевдодальности без поправок на распространение в ионосфере и тропосфере:
d = ст + cAt,
(1)
гд е с — скорость света; т — время распространения сигнала от НКА до приемника; At — расхождение шкал времени приемника и НКА.
Для различных НКА At будет одинаковым при условии, что расхождение бортовых шкал времени НКА и системной шкалы времени значительно меньше разницы шкалы времени приемника и системы. Следовательно, перепады псевдодальностей до разных аппаратов будут зависеть только от задержек распространения, которые далее и рассмотрим.
Введем обозначения: 01 — задержка распространения навигационного сигнала от НКА, зафиксированная ГНСС-приемником при работе с реальным сигналом, а П2 — задержка распространения навигационного сигнала при работе с сигналом от РНС.
Значение 01 можно определить как сумму:
п = т + т + т ,
1 Ч Чр ьпр'
где тт — задержка на трассе распространения сигнала от НКА до антенны; ттр — задержка в радиочастотном тракте от антенны до ГНСС-приемника; тпр — задержка в приемнике.
Величина D0
у2 имеет такие же составляющие, но к ним добавляется задержка, обусловленная работой РНС (трнс), которая является суммой задержек при записи тРНС1 и при воспроизведении тРНС2:
D2 = тт + ттр + тпр + ^нс-
Задержку трнс можно получить как разницу D2 и D1:
трнс = D2 - D1-
Сигналы НКА системы ГЛОНАСС излучаются на разных частотах в частотных поддиапазонах L1 и L2 [2]. Каждому НКА соответствует номер о т 1 до 24, а также номер частотного канала — литера [3], который и определяет значение несущих частот его сигналов и принимает значения в интервале -7...6. В системе GPS частотное разделение не применяется, все НКА излучают сигналы в каждом из частотных диапазонов L1, L2 на одной несущей частоте [4].
Поскольку для разных НКА частоты навигационного сигнала различаются, разность задержек тРНС для различных НКА определяет частотную зависимость искажений навигационного сигнала. Итоговая формула выглядит как
SVy = ТрНС(/) - Трнс(У ) = Ш/) - D1(i)] - [D2(j) - D1O')], (2)
где D2(i) — задержка сигнала от i-го НКА ГНСС ГЛОНАСС при работе с сигналами от рНС; D1(i) — задержка сигнала от
i-го НКА при работе с реальным сигналом; D2(j) — задержка сигнала от j-го НКА при работе с сигналами от рНС; D1(j) — задержка сигнала от j-го НКА при работе с реальным сигналом.
Так как расхождение At шкал времени приемника и системы одинаково для всех НКА, то согласно формуле (1) вместо задержек в формулу (2) можно подставить псевдодальности по фазе дальномерного кода, записанные в файлах RINEX, и получить результирующую задержку, обусловленную частотной зависимостью, с коэффициентом пропорциональности, равным скорости света. Аналогично в (2) можно подставить псевдодальности по ф азе несущей частоты с учетом коэффициента пропорциональности, равного длине волны.
Апробация метода. Для апробации метода навигационный сигнал антенны NovAtel GNSS-750 (принимаемые сигналы GPS L1, L2, L2C, L5, GLONASS L1, L2, L3) был подан через активный разветвитель GPSNetworking ALDCBS 1x8 на устройство записи-воспроизведения навигационного сигнала и на об разец НАП. В качестве НАП использовали ГНСС-приемник спутниковый геодезический многочастотный Javad Sigma, имеющий следующие характеристики: СКО случайной составляющей погрешности определения псевдодальности по фазе дальномерного кода — 0,15 м, а по фазе несущей частоты — 0,003 м. Впоследствии записанный сигнал с рНС был подан на тот же образец НАП. Таким образом были получены данные навигационных измерений приемника в условиях подачи реального навигационного сигнала напрямую и от рНС.
На рис. 1 приведен характерный график зависимости разницы псевдодальностей по фазе дальномерного кода 8т/_/ от времени для пары НКА системы ГЛОНАСС. Поскольку эти зависимости представляют случайный, нормально
рис. 1. разница псевдодальностей 5т/-/ по фазе дальномерного кода для НКА 05; 20 (1 и 2 литера):
а = 1,483; M = -0,032
Рис. 2. Разница псевдодальностей бт,— в зависимости от разницы литер М НКА ГНСС ГЛОНАСС (относительно НКА 05; 1 литера)
распределенный процесс, то на графике приведены рассчитанные значения математического ожидания М и средне-квадратического отклонения о.
На рис. 2 приведены математические ожидания разницы псевдодальностей бт,— для различных пар НКА ГЛОНАСС. Из приведенного графика следует, что разница псевдодальностей для сигналов на различных частотах может превышать один метр для литер на краях диапазона. Подобное искажение — результат несовершенной калибровки радиочастотного тракта РНС. Калибровка серьезно затруднена из-за использования схемы с переносом частоты на промежуточную для оцифровки. Применение прямого аналого-цифрового преобразования на рабочих частотах навигационного сигнала без переноса на промежуточную частоту, позволило бы серьезно упростить радиочастотный тракт рекордера, а также его калибровку.
На рис. 3 представлена типичная зависимость разницы псевдодальностей по фазе несущей частоты бт,— от времени для системы ГЛОНАСС. Разница выражена в метрах, при том, что в файле RINEX беззапросная дальность по фазе несущей частоты определена в длинах волн. На графике показаны разрывы, которые являются результатом срыва сле
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.