close

Вход

Забыли?

вход по аккаунту

?

Учет дифференциального влияния ионосферы при контроле фазовых двухчастотных ГНСС-измерений приемника с атомными часами.

код для вставкиСкачать
УДК 629.783:551.24
УЧЕТ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНОГО ВЛИЯНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПРИ КОНТРОЛЕ
ФАЗОВЫХ ДВУХЧАСТОТНЫХ ГНСС-ИЗМЕРЕНИЙ ПРИЕМНИКА С АТОМНЫМИ
ЧАСАМИ
Константин Михайлович Антонович
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия,
г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, доктор технических наук, доцент, профессор кафедры
физической
геодезии
и
дистанционного
зондирования,
тел.
(383)361-01-59,
e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Николай Сергеевич Косарев
Сибирский государственный университет геосистем и технологий, 630108, Россия,
г. Новосибирск, ул. Плахотного, 10, аспирант кафедры физической геодезии и
дистанционного зондирования, тел. (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Станислав Олегович Шевчук
ФГУП «Сибирский научно-исследовательский институт геологии, геофизики и минерального сырья», 630091, Россия, г. Новосибирск, Красный пр. 67, и. о. заведующего отделом геодезического
обеспечения
геолого-геофизических
работ,
тел.
(383)222-45-86,
e-mail: staspp@211.ru
Антон Станиславович Щербаков
Институт систем информатики им. А. П. Ершова СО РАН, 630090, Россия, г. Новосибирск,
пр. Академика Лаврентьева 6, тел. (923)130-52-13, e-mail: anton.scherbakov@gmail.com
В статье описан алгоритм учёта дифференциального влияния ионосферной задержки.
Алгоритм применяется для контроля двухчастотных фазовых ГНСС измерений, полученных
приёмником, подключённым к высокостабильному атомному генератору частоты. Приводятся результаты эксперимента по проверке алгоритма на реальных данных, полученных приёмником по наблюдениям спутников GPS и ГЛОНАСС.
Ключевые слова: ГНСС, приёмник, атомные часы, измерение, фаза несущей, контроль, ионосферная задержка, моделирование.
THE ACCOUNTING OF DIFFERENTIAL INFLUENCE OF AN IONOSPHERE AT
CONTROL OF PHASE TWO-FREQUENCY GNSS-MEASUREMENTS OF THE
RECEIVER WITH AN ATOMIC CLOCK
Konstantin M. Antonovich
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk,
10 Plakhotnogo St., Ph. D., docent, professor of physical geodesy and remote sensing department,
tel. (383)361-01-59, e-mail: kaf.astronomy@ssga.ru
Nikolay S. Kosarev
Siberian State University of Geosystems and Technologies, 630108, Russia, Novosibirsk,
10 Plakhotnogo St., Ph. D. student, tel. (913)706-91-95, e-mail: kosarevnsk@yandex.ru
Stanislav O. Shevchuck
Siberian Research Institute of Geology, Geophysics and Mineral Raw Materials (SNIIGGiMS),
630091, Russia, Novosibirsk, 67 Krasniy Pr., acting as a head of the department of geodetic
maintenance of geophysical works, tel. (383)222-45-86, e-mail: staspp@211.ru
103
Anton S. Scherbakov
Institute of Informatics Systems A. P. Ershov, 630090, Russia, Novosibirsk, 6 Lavrentiev St., Ph.
D. student, tel. (923)130-52-13, e-mail: anton.scherbakov@gmail.com
The algorithm for taking into account the differential ionosphere delay effect is described in
the article. The algorithm is applied for the control of two frequency phase GNSS measurements
made by the receiver provided high stability frequency atomic oscillator. The experiment results
with real data obtained by the receiver observed GPS and GLONASS satellites are given.
Key words: GNSS, receiver, atomic clock, measurement, carrier phase, control, ionosphere
delay, modeling.
Одной из основных проблем, возникающих в процессе эксплуатации
ГНСС, является подверженность сигналов навигационных космических аппаратов влиянию окружающей среды и помех. Из них наибольшее влияние на кодовые и фазовые измерения оказывает ионосфера [1, 4, 11 - 13].
Вызванная влиянием ионосферы величина фазового опережения I и группового запаздывания Ig связана с плотностью электронов Ne по пути сигнала s:
I   I g  
40.3
40.3
 N ds   2  TEC ,
2  e
f
f
s
(1)
где – TEC – полное содержание электронов по пути прохождения сигнала в
столбе сечением один квадратный метр, f – частота в герцах. В общем случае
полагают: I = –Ig = I, величину I называют ионосферной задержкой (ИЗ). Её
максимальная величина в зенитном направлении днём может доходить до 15 и
даже до 50 метров, вблизи горизонта она почти в три раза больше [11 - 13].
В последнее время во всём мире активно ведутся работы по созданию малогабаритных атомных часов (МАЧ), обладающих относительной нестабильностью частоты σ f / f 510-12. Применение МАЧ в ГНСС технологиях открывает
дополнительные возможности для корректного учёта ионосферной задержки в
алгоритме контроля измерений [2, 3, 10].
В данной работе предлагается алгоритм учёта дифференциального влияния
ИЗ для контроля двухчастотных ГНСС данных, полученных приёмником,
оснащённым высокостабильным атомным стандартом частоты, для применения
его в задаче контроля фазовых ГНСС измерений [2, 3, 7, 8].
Известно, что ионосферную наклонную задержку можно определить по
кодовым псевдодальностям, измеренным на двух частотах [1, 11 - 13]. Однако
точность ее недостаточна из-за высокого уровня шума кодовых измерений. Подобным образом не обеспечивает нужную точность ИЗ, вычисленная по разности кодовой и фазовой псевдодальностей, измеренной на одной частоте [6].
Определение наклонной ИЗ по фазовым псевдодальностям не получается из-за
наличия двух неоднозначностей фазы. Исключим их, образовав разности, вычитаемые по времени, на двух частотах.
104
Возьмем уравнение фазовой псевдодальности , измеренной приемником
A на спутник i на частоте L1 в момент t1 по часам приёмника в виде [1, 5]:
Φ Ai , L1 (t1 )   iA (t1 )  I Ai , L1 (t1 )  TAi (t1 )  miA (t1 )  c  [dt A (t1 )  dt i (t1   iA, L1 (t1 ))] 
 c  [ A (t1 )  
i
(t1   iA, L1 (t1 ))]    [ A (t0 )   i (t0 )]  L1 N Ai , L1
  iA ,
(2)
где  Ai - время прохождения сигнала между антеннами спутника и приёмника,  Ai (t1 ) - геометрическая дальность, то есть истинное расстояние между приёмником в момент приёма сигнала t1 и спутником в момент выхода сигнала
t1   iA , TAi - тропосферная задержка, dt A , dt i - сдвиги шкал часов соответственно для спутника и для приемника относительно шкалы системного времени, miA - влияние многолучёвости на фазовые измерения,  A ,  i - запаздывания сигналов в аппаратуре приемника и спутника, A (t0 ),  i (t0 ) - начальные
фазы генераторов приемника и спутника, N Ai - целочисленная начальная неоднозначность фазы,  - длина несущей волны,  Ai - шум измерения фазы. Здесь и
в дальнейшем пренебрегаем релятивистскими эффектами и набегом фазы из-за
изменения во взаимной ориентировке антенн спутника и приёмника.
В момент t2, отстоящий на t секунд от момента t1, имеем:
Φ Ai , L1 (t 2 )   iA (t 2 ) I Ai , L1 (t 2 )  TAi (t 2 )  miA (t 2 )  c  [dt A (t 2 )  dt i (t 2   iA, L1 (t 2 ))]

 с   A t 2   
i
   
(t 2   iA, L1 (t 2 ))
    t0 
A t0
i
 L1 N Ai , L1
  iA .
(3)
Аналогичные уравнения будут для частоты L2 в те же эпохи, при этом общими в них будут только тропосферные задержки, не зависящие от частоты.
Найдем разность фазовых псевдодальностей ΦAi , L1 (t1 , t2 ) между эпохами
на первой частоте, при этом неоднозначности, начальные фазы генераторов и
запаздывания в аппаратуре исключаются:
Φ Ai , L1 (t1 , t 2 )   iA (t1 , t 2 ) I Ai , L1 (t1 , t 2 )  TAi (t1 , t 2 )  miA (t1 , t 2 ) 
 c  [dt A (t1 , t 2 )  dt
i
((t1   iA, L1 ), (t 2
  iA, L1 )].
(4)
С учетом того, что задержки IL1 и IL2 на частотах L1 и L2, выраженные в
линейной мере, связаны соотношением
I L2 
f12
f 22
I L1 ,
105
(5)
разность фазовых псевдодальностей ΦAi , L 2 (t1 , t2 ) между эпохами на второй
частоте принимает вид:
Φ Ai , L 2 (t1 , t 2 )   iA (t1 , t 2 )  I Ai , L1 (t1 , t 2 )
f12
f 22
 TAi (t1 , t 2 )  m iA (t1 , t 2 ) 
(6)
 c  [dt A (t1 , t 2 )  dt i ((t1   iA, L1 ), (t 2   iA, L 2 ))].
Влияние изменений в многолучёвости m за несколько (10-60) секунд будет порядка 1 см, им можно пренебречь. Найдем разность фаз ΦiA, L1, L 2 (t1 , t2 ) ,
вычитаемых по времени и между частотами, здесь будут исключаться тропосферные задержки:
Φ Ai , L1, L 2 (t1 , t 2 ) 
Φ Ai , L 2 (t1 , t 2 ) 
Φ Ai , L1 (t1 , t 2 )

I Ai , L1 (t1 , t 2 )(1 
f12
f 22
)
 c  [dt A (t1 , t 2 )  dt i (t1   iA, L 2 ), (t 2   iA, L 2 )] 
(7)
 c  [dt A (t1 , t 2 )  dt i (t1   iA, L1 ), (t 2   iA, L1 )].
Исследуем влияние погрешностей времени t в уравнении (7):
t  c  [dt A (t1 , t 2 )  dt i (t1   iA, L 2 ), (t2   iA, L 2 )] 
 c  [dt A (t1 , t 2 )  dt
i
(t1   iA, L1 ), (t 2
(8)
  iA, L1 )].
Различие между первым и вторым членом в правой части уравнения (8)
только в изменении сдвигов шкал приемника и спутника за время, равное разности распространения сигнала  на двух частотах, то есть
t  c  [dt i (t1   iA, L 2 ), (t2   iA, L 2 )]  c  [dt i (t1   iA, L1 ), (t2   iA, L1 )],
(9)
что объясняется разными значениями ионосферных задержек на двух частотах.
При наличии атомных часов в комплекте приёмника этим эффектом можно
пренебречь. Таким образом,
Φ Ai , L1, L 2 (t1 , t 2 )  Φ Ai , L 2 (t1 , t 2 )  Φ Ai , L1 (t1 , t 2 )  I Ai , L1 (t1 , t 2 )(1 
откуда получаем:
106
f12
f 22
),
(10)


I Ai , L1 (t1 , t 2 )  Φ Ai , L 2 (t1 , t 2 )  Φ Ai , L1 (t1 , t 2 ) /(1 
I Ai , L 2 (t1 , t 2 )  I Ai , L1 (t1 , t 2 )
f12 ,
)
f 22
f12 .
f 22
(11)
(12)
Формулы (11) и (12) позволяют находить величину дифференциального
влияния ионосферной задержки по двухчастотным фазовым данным, как для
системы GPS, так и для системы ГЛОНАСС.
Для исследования и проверки разработанного алгоритма был взят суточный файл измерений с дискретностью 30 секунд, полученный в результате
наблюдений двухчастотным двухсистемным ГНСС приёмником фирмы
JAVAD, подключённым к водородному генератору частоты, на станции NOVM
(Новосибирск) от 31 марта 2011 года. Файл наблюдений доступен в сети Интернет, на сайте Международной ГНСС Службы (МГС). С помощью, написанной на языке C++ программы r2t, полученный файл наблюдений в формате
RINEX версии 2.11 был преобразован в текстовый формат с расширением .txt,
который затем использовался для вычисления величины дифференциального
влияния ионосферной задержки по фазовым ГНСС наблюдениям. Для расчёта
разностной ионосферной задержки по фазовым ГНСС наблюдениям авторами
написана программа IONO delays на языке Delphi 7, интерфейс программы
представлен на рис. 1.
Рис. 1. Интерфейс программы IONO delays
Из обработанного в программе IONO delays модифицированного суточного файла наблюдений (файл с расширением .txt) были выделены величины
дифференциальной ионосферной задержки для спутника G02 системы GPS и
спутника R02 системы ГЛОНАСС. Угол возвышения спутника G02 за время
наблюдения менялся с 50 градусов до 10 градусов, а спутника R02 – c 70 градусов до 10 градусов.
107
На рис. 2, 3 представлены значения величины дифференциальной ионосферной задержки для диапазона частот L1 (синий цвет) и L2 (красный цвет),
для спутника G02 системы GPS и спутника R02 системы ГЛОНАСС.
Рис. 2. Величины дифференциальной ионосферной задержки для диапазона частот L1 (синий цвет) и L2 (красный цвет), для спутника G02 системы GPS
Рис. 3. Значения дифференциальной ионосферной задержки для диапазона
частот L1 (синий цвет) и L2 (красный цвет), для спутника R02 системы
ГЛОНАСС
108
На рис. 2, 3 наблюдаются одиночные всплески в значениях величины дифференциальной ИЗ, которые могут быть обусловлены ионосферными возмущениями или потерями счёта цикла.
Вывод: Разработанный в статье алгоритм дифференциального влияния
ионосферной задержки по двухчастотным фазовым данным применим для учёта ионосферной задержки в методике контроля фазовых ГНСС измерений с использованием эфемерид и координат пункта наблюдения.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в
геодезии (том 1) – М.: Картгеоцентр; Новосибирск: Наука. – 2005. – 334 с.
2. Антонович К. М., Косарев Н. С., Липатников Л. А. Контроль фазовых измерений
ГНСС приёмника с атомными часами // Вестник СГГА. – 2014. – Вып. 3 (27). – С. 3–21.
3. Антонович К. М., Косарев Н. С. Метод контроля кодовых и фазовых
псевдодальностей в пространстве координат // Изв. вузов. Геодезия и аэрофотосъемка. –
2012. – № 2/1. – C. 11–15.
4. Антонович К. М., Косарев Н.С. О расходимости кодовых и фазовых ГНСС
псевдодальностей // Интерэкспо ГЕО-Сибирь-2013. IХ Междунар. науч. конгр. : Междунар.
науч. конф. «Геодезия, геоинформатика, картография, маркшейдерия» : сб. материалов в 3 т.
(Новосибирск, 1526 апреля 2013 г.).  Новосибирск: СГГА, 2013. Т. .  С – 60–66.
5. Антонович К. М. Тропосферная задержка при ГНСС измерениях // Изв. вузов.
Геодезия и аэрофотосъемка. – 2012. – №2/1. – C. 6–11.
6. Казанцев М. Ю., Фатеев Ю. Л. Определение ионосферной погрешности измерения
псевдодальностей в одночастотной аппаратуре систем ГЛОНАСС и GPS [Электронный ресурс] // «Журнал радиоэлектроники». – 2002. – № 12. – Режим доступа:
http://jre.cplire.ru/iso/dec02/6/text.html
7. Косарев Н. С. Восстановление фазы несущей: проблемы и пути решения // Вестник
СГГА. – 2012. – Вып. 1 (17). – C. 53–60.
8. Косарев Н. С., Щербаков А. С. Статистический анализ точности определения положений спутников систем ГЛОНАСС и GPS // Вестник СГГА. – 2014. – Вып. 2 (26). – С. 9–18.
9. Проблемы обеспечения точности координатно-временных определений на основе
применения ГЛОНАСС технологий / А. С. Толстиков, Ю. В. Сурнин, К. М. Антонович,
В. А. Ащеулов // Вестник СГГА. – 2012. – Вып. 2 (18). – С. 3–11.
10. http://www.aetechnologies.ru/dev/mach/
11. Leick A. GPS Satellite Surveying - New York: A Willey-Interscience Publication. –
1995. – 560 p. – Англ.
12. Misra P. N., Enge P. Global Positioning System. Signals, Measurements and
Performance. – USA: Ganga-Jamuna Press. – 2001. – 390 p. – Англ.
13. Xu Guochang. GPS. Theory, algorithms and applications – Springer-Verlag Berlin
Heidelberg New York. – 2003. – Англ
© К. М. Антонович, Н. С. Косарев, С. О. Шевчук, А. С. Щербаков, 2015
109
1/--страниц
Пожаловаться на содержимое документа