научная статья по теме ВОЗМОЖНОСТЬ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ Метрология

Текст научной статьи на тему «ВОЗМОЖНОСТЬ ПОСТРОЕНИЯ СИСТЕМЫ ВЫСОКОТОЧНОГО ОПРЕДЕЛЕНИЯ МЕСТОПОЛОЖЕНИЯ ПОТРЕБИТЕЛЕЙ ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМ»

ИЗМЕРЕНИЯ ВРЕМЕНИ И ЧАСТОТЫ

621.396.99

Возможность построения системы высокоточного определения местоположения потребителей глобальных навигационных

спутниковых систем

В. В. ДВОРКИН, С. Н. КАРУТИН

ОАО «Российские космические системы», Москва, Россия, e-mail: sergey.karutin@rniikp.ru

Проведен анализ составляющих погрешностей определений местоположений потребителей глобальных навигационных спутниковых систем. Приведены результаты высокоточного определения местоположения при использовании уточненной эфемеридно-временной информации, формируемой системой дифференциальной коррекции и мониторинга, для навигационных космических аппаратов ГЛОНАСС и GPS. На основе проведенных исследований сделаны выводы о перспективах развития систем высокоточного определения местоположения по радиосигналам спутниковых систем.

Кпючевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы, ГЛОНАСС, GPS, система дифференциальной коррекции мониторинга, высокоточное определение местоположения.

The analysis of global navigation satellite systems user positioning error components is presented. The results are given at using the finalized ephemeris and clocks formed by differential correction system and monitoring for GLONASS and GPS satellites. On the basis of conducted studies the conclusions on perspectives of precise point positioning systems development by radio signals from satellite systems are drawn.

Key words: global navigation satellite systems, GLONASS, GPS, system of differential correction and monitoring, precise point positioning.

По мере совершенствования глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) появляются новые сферы практического применения навигационной аппаратуры потребителя (НАП) этих систем, которые требуют дальнейшего повышения точности навигационно-временного обеспечения. В первую очередь, НАП используют при организации дорожного движения, в том числе по платным дорогам, оплате парковок, разборах дорожно-транспортных происшествий, определении страховых случаев, организации автоматического управления дорожной, строительной и сельскохозяйственной техникой, контроле деформации сооружений, синхронизации систем связи, банковских систем транзакций, энергетических систем, систем транспортировки нефти и газа, высокоточном мониторинге движения точек земной

поверхности и крупных сооружений для снижения рисков и смягчения последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характеров, фундаментальных научных исследованиях и во многих других приложениях.

В настоящее время разработаны и нашли широкое применение методы навигации, при которых потребитель имеет возможность либо осуществлять высокоточные навигационные определения (погрешность порядка единиц сантиметров) на расстояниях в несколько десятков километров от опорных станций, либо проводить абсолютные навигационные определения с погрешностью на уровне единиц метров. Необходимо отметить, что за последние несколько лет произошло несколько событий, которые создали основу для дальнейшего повышения точности определения местопо-

Составляющая Значение погрешности, м, при режиме работы аппаратуры потребителя ГЛОНАСС/GPS

погрешности абсолютном одночастотном абсолютном двухчастотном локальном дифференциальном широкозонном дифференциальном высокоточном относительном (RTK) высокоточном абсолютном (PPP)

Эфемериды 1,0 1,0 0,02 0,30 0,02 0,15

Частотно-временные параметры 1,0 1,0 0,02 0,30 0,02 0,15

Ионосферная рефракция 2,0 — 0,02 0,05 — —

Тропосферная рефракция 0,5 0,5 0,03 0,12 0,03 —

Аппаратурная погрешность 0,5 0,7 0,50 0,50 0,003 0,003

Геометрический фактор 2,0 2,0 2,00 2,00 — —

Общая погрешность 5,1 3,3 1,00 1,30 0,05 0,05—0,21*

* Погрешность может быть уменьшена за счет обработки длительных интервалов наблюдений.

Составляющие погрешности навигационных определений

ложения по сигналам ГНСС. Во-первых, системы ГЛОНАСС и GPS прошли этап очередной модернизации — на орбите появились навигационные космические аппараты (НКА) нового поколения, которые излучают навигационные радиосигналы в диапазонах L1 и L2, что позволяет оценивать и компенсировать задержку сигнала в ионосфере двухчастот-ным методом [1]. Во-вторых, международная служба ГНСС (англ. International GNSS Service, IGS) в результате масштабных исследований разработала алгоритмы оценки эфеме-ридно- и частотно-временных параметров бортовых шкал времени НКА, которые дают возможность оценивать данные параметры с погрешностью в единицы сантиметров [2]. Эти обстоятельства позволили создать алгоритмы высокоточных абсолютных навигационных определений (англ. Precise Point Positioning, PPP) по сигналам систем GPS [3, 4] и ГЛОНАСС [5], которые характеризуются точностью определения координат, сопоставимой с методами RTK (см. таблицу).

Модели первичных измерений. В основе решения всего спектра задач навигационно-временного обеспечения лежит использование первичных измерений навигационных параметров — отсчеты псевдодальности S- и псевдофазы Ф, навигационного радиосигнала [1]:

S, = R + 8R + c(8f - 87") + §ион + §троП + 83 +

+ 8 + 8 + 8

рел мнл а

+ ec

(1)

X,.Ф, = R + 8R + c (8t - 87) + X,. Ni-

8 + 8 + 8o + 8 +

ион троп 3 рел

+ 8мнл + 8а

+ e„

(2)

где Я = д/(^нка - х У + (Мнка - У У + (^нка - г) — геометрическая дальность между НКА с координатами (Хнка, Унка, ^нка) и потребителем с координатами (х, у, г); 8Я — погрешность эфемеридной информации; с — скорость света; 81 — расхождение между шкалами времени потребителя и используемой навигационной системы; 8Т — расхождение между шкалами времени НКА и его системы (погрешность частотно-временных поправок (ЧВП); 8ион — задержка распространения сигнала НКА в ионосфере; 8троп — задержка распространения сигнала НКА в тропосфере; 83 — погрешность измерения дальности, обусловленная влиянием приливов мирового океана на изменение гравитационного поля Земли; 8рел — погрешность измерения дальности, обусловленная релятивистским эффектом; 8мнл — погрешность, обусловленная многолучевым характером распространения сигнала НКА; 8ап — аппаратурная погрешность, обусловленная неидентичностью и неравномерностью характеристик группового времени запаздывания (ГВЗ) радиосигналов НКА в приемном тракте НАП; Х- — длина волны несущих колебаний сигнала НКА, индекс / обозначает частотный диапазон / =1 для диапазона Ц и / = 2 для диапазона N1 — целочисленная неоднозначность измерения фазы; е3, еф— шумовые погрешности измерений псевдодальности и фазы, соответственно.

Очевидно, что для повышения точности навигации необходимо уменьшить погрешность первичных измерений, используемых для обработки. В настоящее время точность оценки и прогноза эфемерид и ЧВП может достигать значений в несколько сантиметров [2], при этом важным обстоятельством, определяющим точностные характеристики

Рис. 1. Структура аппаратно-программного комплекса оценки ЭВИ

формируемой эфемеридно-временной информации (ЭВИ), является построение сети измерительных пунктов. Уменьшить влияние ионосферной рефракции можно построением линейной комбинации измерений (1) и (2), полученных по сигналам в диапазонах L1 и L2 [1, 3]. Математические модели оценки влияния приливов 83 и релятивистского эффекта 8рел обеспечивают уменьшение данных составляющих погрешности до единиц сантиметров [2].

В настоящее время для борьбы с эффектом многолуче-вости разработано довольно большое количество различных методов, которые, в первую очередь, используют при проведении высокоточных навигационных определений. Эти методы включают как аппаратные, так и программные решения, которые позволяют в целом ряде случаев уменьшить погрешность, вызванную многолучевым характером распространения сигналов НКА, до значений, значительно меньших других погрешностей. Составляющая погрешности 8ап при обработке измерений по радиосигналам системы GPS, в которой реализовано кодовое разделение радиосигналов НКА на общей несущей частоте, имеет пренебрежимо малое значение, поскольку ее радиосигналы смещены относительно друг друга лишь на доплеровский сдвиг вследствие взаимного движения НКА и НАП. Однако при обработке измерений, полученных по радиосигналам НКА системы ГЛОНАСС, указанную погрешность необходимо учитывать, поскольку в си-

Рис. 2. Архитектура существующей (слева) и перспективной (справа) сетей станций сбора измерений СДКМ

стеме реализован частотный метод разделения этих радиосигналов, и расхождение в задержке радиосигналов различных НКА может достигать нескольких наносекунд.

С учетом сказанного, а также представив задержку сигнала в тропосфере 8троп в виде произведения значения задержки сигнала в направлении зенита т и отображающей функции М, запишем следующие выражения для комбинационных отсчетов псевдодальности и псевдофазы:

S =

(f 2

S1 - f 22 S2

)/(f

ХФ =

f2 Х1Ф1

i-f2)=R

- f 2 x2ф2

-c8t + Mx + 8a

f 2 -

= R + cSt + Mt + NX + 8яп + e.

Ф-

(3)

(4)

При формировании комбинационного измерения псевдофазы ХФ нарушается целочисленный характер неодноз-

Рис. 3. Результаты оценки предельных погрешностей Д: 1 — по радиусу; 2 — вдоль орбиты; 3 — по бинормали уточнения эфемеридно-временной информации для навигационных космических аппаратов систем ГЛОНАСС (а, б) и GPS (в, г) при региональной (а, в) и глобальной (б, г) конфигурациях сети станций сбора измерений, полученные в период с 0 ч 00 мин 18 мая до 0 ч 00 мин 20 мая 2010 г.

начностей Ы, поэтому задача определения координат и раскрытия неоднозначности псевдофазовых измерений в этом случае трансформируется из двухэтапного алгоритма поиска максимума многомодальной функции правдоподобия в алгоритм получения максимально правдоподобной действительной оценки координат, неоднозначностей, влажной составляющей тропосферной зенитной задержки, смещения часов приемника и аппаратурных задержек в случае обработки измерений, полученных по радиосигналам НКА от ГЛОНАСС.

Алгоритм высокоточной оценки эфемерид и частотно-временных параметров. Как уже было отмечено выше, алгоритмы высокоточного абсолютного определения местоположения потребителя основаны на использовании высокоточной ЭВИ. Получение подобной информ

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.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Метрология»