Бесплатный автореферат и диссертация по наукам о земле на тему

Разработка методики учета влияния ионосферы при GPS - измерениях на территории Вьетнама

ВАК РФ 25.00.32, Геодезия

Автореферат диссертации по теме "Разработка методики учета влияния ионосферы при GPS - измерениях на территории Вьетнама"

На правах рукописи

ФАМ ХОАНГ ЛОНГ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПРИ GPS - ИЗМЕРЕНИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ ВЬЕТНАМА

Специальность: 25.00.32 - «Геодезия»

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москва - 2014

005550273

Работа выполнена в федеральном государственном бюджетном образовательном учреждении высшего профессионального образования «Московский государственный университет геодезии и картографии» (МИИГАиК).

Научный руководитель: Доктор технических наук, профессор

Голубев Анатолий Николаевич

Официальные оппоненты: Кафтан Владимир Иванович

доктор технических наук, профессор Геофизический центр Российской академии наук, профессор

Поляков Владимир Тимофеевич кандидат технических наук, доцент Российский Новый университет, кафедра телекоммуникаций и средств связи, профессор

Ведущая организация:

Федеральное государственное бюджетное учреждение «Федеральный научно-технический центр геодезии, картографии и инфраструктуры пространственных данных», (ФГБУ «Центр геодезии, картографии и ИПД»).

О

Защита диссертации состоится « » июня 2014 года в часов на заседании диссертационного совета Д.212.143.03 в Московском государственном университете геодезии и картографии (МИИГАиК) по адресу: 105064, г. Москва, Гороховский пер., 4 (Зал заседаний Ученого совета).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского государственного университета геодезии и картографии, и на сайте: Ьар:/Мут.тпаа{к.ш/паика/сИ88еПасшпуу 80Уе1/га8ес1агйуа/

Автореферат разослан «25/ »¿ту^иЯ^пы г

Ученый секретарь

диссертационного совета ¿/с^- Вшивкова Ольга Владимировна

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Обоснование актуальности темы диссертации

Распространяясь сквозь атмосферную оболочку Земли, спутниковые сигналы подвергаются присущему радиоволнам воздействию со стороны ионосферных частиц, наиболее заметно проявленному в ионосферной задержке. Для ограничения такого рода негативного влияния внешних факторов с целью повышения точности и эффективности спутникового позиционирования были предложены различные мероприятия и способы, такие как использование двухчастотных приёмников, создание станций ионосферного наблюдения и т. д. В действительности же не все выпускаемые приёмники являются двухчастотными и не все потребители нуждаются в них. До сих пор не во всех частях земного шара имеется достаточно густая сеть станций слежения за ионосферой, тем более не в любой момент времени получают от неё требуемые данные, и не в каждом государстве есть подобная служба или хотя бы одна - две такие специфические станции. В этом отношении Вьетнам не является исключением.

Таким образом, возникла объективная необходимость в разработке методики автономного учёта влияния ионосферы для повышения эффективности спутникового относительного позиционирования как одночастотными, так и двухчастотными приёмниками во Вьетнаме.

Цель и основные задачи исследований

Основной целью данной диссертационной работы является разработка методики автономного учета влияния ионосферы на основе использования измерений отдельным двухчастотным приемником для повышения эффективности относительного позиционирования системой GPS на территории Вьетнама.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи:

1. Анализ и оценка возможности применения существующих моделей ТЕС {Total Electron Content) для учёта ионосферной задержки спутниковых сигналов в условиях Вьетнама.

2. Анализ и оценка существующих приближённых формул для расчёта ТЕС.

3. Устранение влияния межчастотного отклонения в аппаратуре приёмника на оценку ионосферных задержек.

4. Оценка и учёт влияния многолучевой составляющей погрешности кодовых псевдодальностей на вторую разность ионосферных задержек .

5. Разработка методики и создание соответствующего математического обеспечения автономного учета влияния ионосферы на основе использования измерений отдельными двухчастотными приемниками.

6. Проведение экспериментов по практической реализации разработанной методики.

Научная новизна работы

1. Обоснована правомерность и достаточность применения существующих приближённых формул для расчёта ТЕС.

2. Предложен способ исключения влияния межчастотных отклонений в приемнике на задержку сигнала в ионосфере.

3. Разработана методика автономного учета влияния ионосферы на основе использования измерений отдельным двухчастотным приемником как рациональное решение для повышения эффективности относительного позиционирования системой ОРБ в условиях отсутствия сети ионосферных станций.

Практическая значимость работы

Из результатов исследования диссертации следует, что спутниковое относительное позиционирование может быть осуществлено одночастотными приёмниками с точностью порядка сантиметров при длине базовых линий до 50 км, а в случае использования двухчастотных приёмников для базовых линий от 20 км до 80 км при точности не хуже 5 см время записи данных может быть сокращено до 60 минут.

На защиту выносятся:

1. Обоснование неприменимости существующих моделей ТЕС для обеспечения требуемой для целей геодезии точности при спутниковых измерениях на территории Вьетнама.

2. Точные формулы для расчета ТЕС, на основе которых доказывается правомерность и достаточность применения существующих приближенных формул.

3. Методика практически автономного восстановления карты ионосферы по измерениям отдельным двухчастотным приемником в условиях отсутствия сети ионосферных станций.

4. Методика определения ТЕС по двухчастотным измерениям с коррекцией многолучевой составляющей погрешности.

5. Экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенной методики учета влияния ионосферы.

Вклад автора в проведенное исследование

Все результаты диссертационной работы получены её автором самостоятельно с учетом международного опыта подобных работ.

Структура и объем диссертации

Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста и заключения. Содержит 141 страницы машинописного текста, 15 таблиц, 44 рисунка. Список литературы включает 36 наименований печатных литературных источников, а также ресурсы Internet.

Апробация результатов работы

Основные результаты по теме диссертации докладывались на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК 3 апреля 2012. Основное содержание диссертации опубликовано в 2-х статьях, в журналах, рекомендованных ВАК РФ.

Диссертация подготовлена в период с 2009 по 2013 гг. на кафедре Высшей геодезии МИИГАиК.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обосновывается актуальность проблемы, формулируется основная задача исследования, охарактеризованы научная новизна, практическая значимость работы и основные результаты исследований.

В первом разделе приведены основные сведения об ионосфере и ее влиянии на эффективность позиционирования системой GPS.

Во втором разделе «Использование системы GPS для исследования ионосферы» рассмотрены существующие методики расчета ТЕС по данным системы GPS и моделирования ионосферной задержки с помощью однослойной модели ионосферы. Из анализа опубликованных работ и результатов, полученных при экспериментальных исследованиях во

Вьетнаме, выполнена оценка возможности применения существующих моделей для коррекции ионосферной задержки во Вьетнаме. Из полученных результатов можно сделать вывод, что применение существующих моделей ионосферы для коррекции ионосферной задержки во многих практических приложениях, особенно в геодезических задачах, в которых содержатся наиболее строгие требования к точности позиционирования, является недостаточным для территории Вьетнама. Таким образом, необходима разработка методики, обеспечивающей достоверное и оперативное моделирование ионосферы с использованием сигналов рассеянной сети приемных станций, расположенных на территории Вьетнама. Для рассеянной сети приемных станций использование измерений отдельным двухчастотным приемником для построения локальной модели ионосферы является подходящим средством. Если применить существующий метод определения величины ТЕС, суть которого заключается в том, что после устранения фазовых «слипов» выполняется фильтрация (сглаживание) значений ТЕС, вычисленных по кодовым измерениям, с использованием значений ТЕС, вычисленных по фазовым измерениям, то главным препятствием к восстановлению ионосферной модели на основе измерений одной станции, не входящей в состав сетей IGS (International GNSS Service), является недостаточно точная оценка межчастотных отклонений для псевдодальностей на Р] и Р2 кодах, называющихся DCBs (от англ. Differential Code Biases) в аппаратуре приемника. Кроме того, по существующим методикам расчета ТЕС по данным системы GPS не выполняется оценка многолучевой составляющей погрешности кодовых псевдодальностей. Для того чтобы получить более точные значения ТЕС и разности ТЕС между спутниками, необходимо точно определить такие погрешности.

В третьем разделе «Методика учета влияния ионосферы при GPS -измерениях на территории Вьетнама» предложена методика, с помощью которой можно повысить эффективность относительного позиционирования приемниками GPS за счет учета влияния ионосферы для условий Вьетнама.

1. Оценка возможности применения приближенных формул для расчета ТЕС базируется на полученных автором более точных аналитических интегральных соотнощениях для ионосферных задержек сигнала. Полученные результаты показывают, что разность линейных задержек группового сигнала в ионосфере, вычисленных по более точной и существующей формулам, составляет не более 1,4 мм (во время геомагнитной бури 15-ого октября 2001-ого года) и не более 0,2 мм в

магнитоспокойные дни 2009-ого года. Эти отклонения вызывают соответствующую погрешность определения значений VTEC примерно 0,0086 (TECU)/105,5 (TECU) на рабочей частоте L1 и 0,0052 (TECU)/105,5 (TECU) на частоте L2 соответственно. А разница между абсолютными значениями ионосферных задержек группового и фазового сигналов не превышала 1 мм, т.е. незначительна. Таким образом, доказано, что использование приближенных формул для определения значений ТЕС на основе GPS-измерений вполне удовлетворяет требуемой точности в задачах исследования ионосферы в общем и в задачах повышения точности позиционирования системами GPS и ГЛОНАСС, которые широко используются в геодезических работах, за счет учета влияния ионосферы в частности.

2. Устранение влияния межчастотного отклонення в приемнике на оценку ионосферной задержки

При использовании системы GPS значение ТЕС может быть оценено из представления комбинации разностей измерений по существующей методике в виде:

п

TECcomb{t) = TECL(t)--=3-3-, (1)

К- zPk

г

где: t = l,2,...,n; п - количество временных отсчетов; рк =

TECL(t), TECP(t) - значения ТЕС, вычисленные по фазовым измерениям и по

кодовым измерениям, соответственно.

С учетом составляющей погрешности кодовых псевдодальностей формулу (1) можно переписать в следующем виде

ТЕСЛ>сотьЮ = ТЁС2] W + DCBi + DCBA + mJApl (2)

где t = 1,М - М: количество отсчетов в течение выборки данных; j = 1,5 -S: количество наблюдаемых спутников в течение М; DCBJ - межчастотное отклонение в j-ом спутнике; DCBA - межчастотное отклонение в приемнике в точке А; гпАр- многолучевая составляющая погрешности кодовых псевдодальностей пары j-oro спутника и приемника в точке А.

В формуле (2), если межчастотное отклонение в аппаратуре спутника считается известной константой и может быть взято из услуги IGS через Интернет, то влияние межчастотного отклонения в аппаратуре приемника на оценку ионосферной задержки можно устранить путем использования разностей значений ТЕСсогпЬ между спутниками вместо

комбинации ТЕСсотЬ в качестве входных данных при моделировании ионосферы:

ДГЯС'-'(0 = ТЕС>сотЬЮ - ТЕС1сопЬ{1), (3) ДЖ-'СО = [7ТСГ;а) - + [тп{р - тАр], (4)

где: АТТа~1(0 = ДТЕС>~1(г) - [ОСВ' - йСВ1]. (5)

3. Оценка влияния многолучевой составляющей погрешности на вторую разность ионосферных задержек

Компенсация влияния ионосферы в одночастотных приемниках при относительном позиционировании не требует оценки абсолютного значения ионосферных задержек сигнала спутников, а только требует их разностей между спутниками. Вторую разность значений ТЕС можно записать в виде

1

ТЕСав (£) = [ТЕСВ comb{t) - TECB\onb{t)] -

\-ТЕСЛсотЬ(0 - ТЕСЛСОтЬ^ " Кр " <р] ~ Кр " ш'Др] . (6) Как видно из (6), чем точнее будут определены величины[mJBp — mj¡p]

и [тАр ~ тАр] > тем точнее будет оценена разность ТЕСлвп.

Если использовать соотношение (2), то оценка значений mJBp и mlBp , m'Ap и mlAp не будет простой задачей, поскольку будет трудно определить значения этих параметров отдельно от значений DCB в аппаратуре спутника и в аппаратуре приёмника.

Поставленную задачу можно решить также с помошью использования разностей значений TECcomb между спутниками.

В одностанционном варианте для восстановления ТЕС над станцией используется локальная модель для суточной вариации в виде разложения Тэйлора по широте и долготе. Для однослойной модели ионосферы получим:

АТЖ>-'Ю = [м (rico) • ^Yj^Enm{ß'A{t) - ßA)W) - saT -

м (yíM) • Y^YZTjEnmiß^t) - ßA)\s№ - + KP -<]

(7)

где: Aí(y(t)) - функция пересчета вертикальной ионосферной задержки в наклонную; у СО - уг°л места спутника; птах, ттах- максимальная степень коэффициентов в разложении Тэйлора ТЕС ионосферы; Епт - (неизвестные) коэффициенты в разложении Тэйлора ТЕС ионосферы, то есть параметры локальной ионосферной модели, которые должны быть оценены; - ßA, sA -

широта и долгота точки, где расположен приемник; /^.s^ - широта и долгота подионосферной точки.

Опираясь на решение системы уравнений (7), можно оценить значения Дт^р = т'Ар - т'Ар наряду со значениями коэффициентов Епт. Для этого сначала необходимо выбрать подходящую модель для описания пространственного распределения VTEC (от англ. Vertical ТЕС).

4. Выбор модели для восстановления локальной карты ионосферы

С целью выбора модели, на которой можно достаточно хорошо описать пространственное распределение VTEC, было выполнено восстановление локальной карты ионосферы с помощью соотношения (7) без учета влияния Дтп^5 в трех вариантах: Вариант (1): птах = штах — 1; Вариант (2):

Птах = ттах = Вариант (3): птах = ттах = 3. Для этого использовались значения VTEC (вертикальный ТЕС), интерполированные из GIM карты IGS, из которых были восстановлены локальные карты ионосферы двумя подходами: 1) по значениям VTEC, интерполированным в узлах локальной карты ионосферы; 2) по значениям VTEC, интерполированным в ионосферных точках для определения значений наклонного ТЕС вдоль трассы от спутника до приёмника и на основе решения системы уравнений (7) для оценки значения коэффициентов Епт. Локальная карта ионосферы, полученная подходом (1), рассматривается как эталонная. Выбор подходящей модели базируется на сравнении результатов, полученных из подхода (2), с результатом, полученным подходом (1). Полученные результаты показывают, что при помощи полинома 2" степени локальная карта ионосферы может быть восстановлена с меньшей ошибкой (с максимумом 0.3 TECU по величине) по сравнению с моделями варианта (1) и варианта (3) - 3 TECU и 0.8 TECU по величине, соответственно (см. рис. 1). В соответствии с этим можно сделать вывод, что с помощью полинома 2" степени достаточно хорошо описать пространственное распределение VTEC при восстановлении локальной карты ионосферы над территорией Вьетнама.

Рис.1. Разность между значениями ТЕС, полученными подходом (1) и с помощью моделей вариантов (1), (2), (3) - (а), (б), (в) 5. Оценка возможности применения разностей значений ТЕСсотЬ для восстановления локальной карты ионосферы была выполнена с помощью полинома 2й степени на основе данных ИМ карты. Для этого при экспериментальном исследовании используются интерполяционные значения УТЕС в ионосферных точках, как в вышеуказанном случае . Чтобы избежать линейно зависимых уравнений при определении разностей Д используется метод базового (опорного) спутника. Как известно, такой метод также применяется для оформления вторых разностей при решении неоднозначностей фазовых измерений. Выбор опорного спутника базируется на значении угла места и «состоянии здоровья» спутника. Как правило, чем больше величина угла места спутника, тем меньше влияние многолучевой погрешности на псевдодальности. Восстановление карт было осуществлено по разным вариантам выбора опорного спутника и была оценена погрешность полученных результатов для каждого варианта по следующей формуле

-^вариантСО

N

- . (а)

п

Полученные результаты показывают, что вполне можно применить разности значений ТЕСсотЬ для восстановления локальной карты ионосферы с С.К.О < 0.6 ТЕСи во всех вариантах выбора опорного спутника. Однако величина С.К.О значений УТЕС восстановленной карты ионосферы зависит от угла места выбранного опорного спутника и его положения относительно точки А, где расположен приемник, и полученные результаты показывают, что при выборе спутника, имеющего наибольшее значение угла места, локальная карта ионосферы была восстановлена с наименьшей С.К.О (0.01 ТЕСи) по сравнению с остальными вариантами выбора опорного спутника.

Систему уравнений (7) можно решить по методу наименьших квадратов, а также с помощью фильтра Калмана.

Как видно из табл.1, полученные с помощью фильтра Калмана значения УТЕС имеют величину С.К.О. и средние значения, меньшие примерно (в среднем) в 2 раза, чем значения УТЕС, полученные методом наименьших квадратов. Это приводит к выводу, что фильтр Калмана является более подходящим методом для оценки параметров модели при восстановления карты ионосферы в экваториальном регионе.

Таблица 1. С.К.О. и средние разности между значениями наклонного ТЕС для каждого спутника, полученными методом наименьших квадратов, фильтром Калмана и эталонными значениями в течение 30-минутного

интервала.

Спутник ЭТАЛ-МНК(ТЕСи) ЭТАЛ-КАЛ(ТЕСи)

1 С.К.О 0.097 0.029

Сред, значение -0.041 -0.017

4 С.К.О 0.062 0.053

Сред, значение 0.026 0.042

5 С.К.О 0.081 0.026

Сред, значение -0.03 -0.012

7 С.К.О 0.079 0.039

Сред, значение 0.02 0.033

9 С.К.О 0.21 0.094

Сред, значение -0.057 -0.025

По экспериментальным данным во Вьетнаме значения неизвестных коэффициентов распределения ТЕС по широте и долготе а1г а2, а3, а4, а5 были определены решением системы уравнений (7) без учета влияния по методу наименьших квадратов и показаны в табл.2:

Табл. 2

а1(ТЕСи/Оеё) а2(ТЕСи/Т>её) а3(ТЕСи/Оеё2) а4(ТЕСи/Ое82) а5(ТЕСи/Е)е82)

Значение -3.942 -0.646 -0.0755 -0.0249 -0.0078

С.К.О 0.04 0.001 0.0007 0.0005 0.00001

На рис.1' показываются изображения локальных карт ионосферы, восстановленных по коэффициентам аъ а2, а3, а4, а5 и с помощью данных вГМв карты.

Географическая долгота

Рис. 1. Локальные карты ионосферы в 13 ч 30 мин 00 сек (18°-24° по широте

и 101°- 111° по долготе), восстановленные по коэффициентам alt а2, сс3, а4, а5 по предлагаемой методике (а) и прямой интерполяцией из

GIMs карты (б).

Табл.3

Средние значения (гп) GPS-03 HOABINH BH33 HH11

AD" Klob-AD" ,GS -0.492 -0.491 -0.484 -0.478

ADH K¡ob-ADH Metoü -0.431 -0.413 -0.267 -0.214

AD",cs-AD"uetod 0.061 0.078 0.217 0.266

A DvKlob-ADvlcs 1.205 1.223 1.180 1.164

Klob-ADV Metod 1.429 1.534 2.479 2.291

ADv,cs-ADvMetoa 0.224 0.312 1.299 1.127

ADKlab-ADlcs 0.362 0.367 0.357 0.344

ADKiob-ADMetod 0.454 0.494 0.859 0.790

AD,cs-ADMetoa 0.092 0.127 0.502 0.446

Приведенные в табл.3 результаты показывают, что при восстановлении локальной модели ионосферы по предложенной методике коррекция ионосферной задержки повышает точность пространственного положения для четырех рассматриваемых точек в среднем на 0,7м - 1,6 м, псевдодальности Р1 на 0,3 м - 0,65 м (~ 2 ТЕС11 - 4 ТЕС11) и вертикального

положения на 0,74 м - 1,93 м по сравнению с существующими глобальными моделями ионосферы, такими как С1М-карты и модель Клобушара, соответственно. Выполненные расчеты показывают, что предложенная методика может быть реализована и её достоверность доказана. За счет того, что оценка межчастотного отклонения в приемнике не требуется при восстановлении локальной карты УТЕС, предложенная методика может считаться практически автономной и полученная модель ионосферы не связана с существующими глобальными моделями за исключением информации о межчастотном отклонении в спутниках.

6. Проблема коррекции ионосферной задержки при относительном позиционировании

В первом варианте исправление ионосферной задержки базируется на локальной модели ионосферы, восстановленной одним двухчастотным приёмником, расположенным в точке вРЯ-ОЗ (см. рис.2). В остальных точках, а именно НОАВШН, будут рассматриваться как одночастотный приемник и для измеренных им псевдодальностей необходимо исправить ионосферную задержку. В этом варианте определение наклонных задержек сигнала вдоль трассы от спутника до приёмника базируется на однослойной модели ионосферы.

Табл.4

\/Г

ЦрЗ^И / А

НОАШЫН

Рис.2. Схема расположения точек

Приведенными в табл.4 результатами являются отклонения разности компонентов координат (Х,У,Х) и наклонных длин (Б) базовых линий (в метрах) между точными решениями и решениями с коррекцией ионосферной задержки из локальной модели ионосферы (Мод1 - без учета влияния

Базовая линия ТС-Мод1 ТС-Мод2

СРБ-ОЗ НОАВШН ДХ(м) 0.455 0.434

ДУ(м) 0.523 0.521

лг(м) 0.010 0.005

ДБ(м) 0.290 0.282

кд 73 66

многолучевой составляющей погрешности и Мод2 - с учетом влияния многолучевой составляющей погрешности), восстановленной фильтром Калмана. Коэффицент дисперсии решения (безразмерная величина) - КД. Полученные результаты показывают, что при помощи Мод2 коррекция ионосферной задержки улучшает решение базовой линии GPS-03 -HOABINH с длиной ~ 33 км по сравнению с Мод1, однако погрешность составляет величину порядка дециметров. В соответствии с этими можно сделать вывод, что на локальной модели ионосферы, восстановленной измерениями одним двухчастотным приемником, компенсация ионосферной задержки не может повысить точность решения базовой линии с длиной более 20 км до сантиметров. Одним из недостатков такого варианта коррекции ионосферной задержки является применение однослойной модели ионосферы, где предполагается, что все электроны сосредоточены в одном тонком слое, расположенном на некоторой высоте h над поверхностью Земли для оценки наклонной задержки сигнала спутников в ионосфере. Кроме того, с помощью такого варианта коррекции ионосферной задержки невозможно устранить влияние многолучевой составляющей погрешности в псевдодальностях на решение базовой линии.

С целью устранения недостатков первого варианта исправления ионосферной задержки далее будет рассматриваться второй вариант, суть которого заключается в том, что коррекция ионосферной задержки для одного приемника в точке D базируется на линейной интерполяции из наклонных задержек сигнала спутников в ионосфере, полученных тремя приёмниками в точках А, В, С, находящихся вокруг точки D. В этом случае предполагается, что для каждого наблюдаемого спутника и на каждый момент времени t существует одна плоскость, образуемая тремя значениями наклонных ионосферных задержек вдоль трассы от спутника до каждого приёмника в трех точках А, В и С. Следовательно, такую плоскость можно определить с помощью уравнения

STECj(t) = a>(t)<p + bi(t)Á + c'(t) . (9)

Из решения системы уравнений (10) можно оценить коэффициенты а, Ь, с плоскости ABC

STEC¡(t) <РА ¿A 1" V(t)

STE С'в (t) = <Рв АВ1

STEC¿(t) <Рс h 1- c'íty

где - значения наклонного ТЕС вдоль трассы

от спутника .¡-ого до в точках А, В, С, соответственно; <р - широта; X -долгота.

Для того, чтобы исправить ионосферную задержку для приёмника в любой точке D, находящейся внутри треугольника ABC, используется следующее соотношение

STEC'D(t) = a¡{t)<pD + b¡{t)XD + c¡{i). (11)

Во втором варианте исправления ионосферной задержки значения наклонного ТЕС, используемые для образования плоскости ABC, можно определить по следующей формуле

• В случае опорного спутника i - ого:

STEC^t) = ТЕС/сотЬ(t) - DCB1 - DCBa; (12)

STECUt) = ТЕСв\отЬ(1) - DCB1 - DCBB ; (13)

STEClc{t) = ТЕСс1согпЬЮ - DCB1 - DCBc-, (14)

• В случае остальных спутников с номером j:

STEC'a (t) = STECi (t) + ДTEC'~lA (t) - ¿mf; (15)

5ТЕС'В(0 = БТЕСкк) + ДГ£С;Л(0 - Л™вр ; (16)

STECl.it) = 5ГЕС^(С) + ДГЕС/_'с(0 - Ап$р . (17)

Для того, чтобы оценить величину ОС В в аппаратуре приёмника в точке А, В и С можно применить следующую формулу

иСИА=---, (18)

где ТЕСа - значение наклонного ТЕС вдоль трассы от спутника 1 - ого до в точке А, вычисленное первым вариантом коррекции ионосферной задержки.

7. Влияние межчастотного отклонения в приемнике на коррекцию

ионосферной задержки

С помощью второго варианта коррекции ионосферной задержки при относительном позиционировании погрешность оценки величины БСВ не влияет на определение разности ионосферных задержек. Таким образом, отклонение вторых разностей ионосферной задержки зависит только от линейной интерполяции и разностей многолучевой составляющей погрешности Дт.

Рассматривая значения ТЕС, интерполированные из 01М карты, как эталонные значения, были оценены отклонения вторых разностей значений

ТЕС, вычисленных по первому варианту и по второму варианту коррекции ионосферной задержки. Полученные результаты показывают, что при помощи второго варианта коррекции ионосферной задержки С.К.О отклонения вторых разностей значений ТЕС меньше в среднем в 10 раз по сравнению с первым вариантом. В соответствии с этим можно заключить, что при помощи второго варианта компенсации ионосферной задержки можно повысить точность решения базовой линии с длиной более 20 км до нескольких сантиметров.

8. Блок-схема алгоритма коррекции ионосферной задержки

На рис.3 приведена блок-схема алгоритма, реализующего разработанную методику коррекции ионосферной задержки вторым вариантом.

1. Выполняется обнаружение и устранение возникающих в ходе измерений циклических фазовых скачков (т.н. «слипов»),

2. После устранения фазовых «слипов» разности ДТЕ&~1(£) определяются по формуле (5).

3. Для оценки значений Л/(у(0) - функции пересчета вертикальной ионосферной задержки в наклонную и координат подионосферных точек требуются координаты спутников (Х,У,2). Определение координат спутников основывается на информации, сохраняемой в файлах «Шпех.М».

4. Затем из решения системы уравнений (7) фильтром Калмана определяются значения коэффициентов модели ионосферы а0,а1,а2,а3,а4,а5 и разностей многолучевой составляющей погрешности Дт;1.

5. Оценка значения $ТЕС* (О БТЕС'к) 5ТЕС'к) с П0М°ЩЬЮ формул (12 -17) и (18). с "

6. Оценка а(£),Ь(г), с(С) базируется на решении системы уравнений (10).

7. Опираясь на оцененные значения а(£), Ь(0, с(0, вычисляются бтесЬО) по формуле (11).

Значениями 5ТЕС'А (г), БТЕС}В (О, £ТЕС'с (г) и БТЕС'п (0 являются

ионосферные задержки в единицах ТЕСЕГ, с которыми были корректированы псевдодальности, содержащиеся во входных файлах данных для СРвигуеу 2.35 в формате «Шпсх», созданных программой «создание файлов ЯВДЕХ.О».

17

В четвертом разделе выполнены экспериментальные исследования разработанной методики с целью проверки влияния многолучевой составляющей погрешности в псевдодальностях на качество решений базовых линий при помощи разработанной методики.

Данные для экспериментального расчета были выбраны в течение интервала времени с 6ч 00 м до 7ч 00м 17-ого мая 2008 года . Запись данных производилась с помощью СВЮОО в точках НОАВВДН, СРБ-ОЗ и с помощью ЗоиЛврз в точках НН11и ВНЗЗ. В табл.5 приведены геодезические координаты экспериментальных точек и на рис. 1 показана схема расположения таких точек. Количество общих наблюдаемых спутников составляет 7, а именно Спутник с номером 5, 12, 14, 18, 21, 22, 30, среди которых спутник с номером- 18 имеет наибольшее значение угла места (~ 60°), и он был выбран в качестве опорного спутника при образовании разностей Дт-'1.

Табл.5. Геодезические координаты экспериментальных точек

Название точки Геод. Широта Геод. Долгота

HOABINH 20" 51' 43" 105й 20' 51"

НН11 21и 33' 29" 105й 00' 24"

ВНЗЗ 21° 18' 33" 105и 24' 19"

GPS-03 21" 09' 30" 105° 16' 21"

Полученные разработанной методикой значения ДmJ'1 в единицах TECU показаны в табл.6.

Табл.6

Дт5-18 Дт12"18 Дт14-18 Дт21"18 Дт22"18 Дт30"18

GPS-03 1.49 0.05 -0.14 0.26 -0.58 2.19

HBINH 1.27 -0.37 0.39 0.54 0.45 3.02

ВНЗЗ 1.02 -0.99 0.78 0.89 -0.63 1.66

НН11 2.15 0.54 -0.56 0.32 0.92 2.45

В табл.9 приведены отклонения разности компонентов координат (X,Y,Z) и наклонных длин (S) базовых линий HOABINH-HH11 (1), GPS-03-НН11 (2), ВНЗЗ-НН11 (3), HOAB1NH-BH33 (4), HOABINH-GPS-03 (5) и GPS-03-BH33 (6), между точными решениями (ТС) и решениями, полученными следующими подходами коррекции ионосферной задержки: • С помощью разработанной методики без учета влияния многолучевой составляющей погрешности - (Mel); Решение базовой линии базируется на L,псевдодальнотях;

• С помощью разработанной методики с учетом влияния многолучевой составляющей погрешности - (Ме2); решение базовой линии базируется на Liпсевдодальнотях;

• Использованием дисперсионного метода - (МеЗ);

Как видно из табл.7 , для того чтобы получить решения базовых линий дисперсионным методом с точностью, соответствующей точности решений, полученных при помощи разработанной методики (Ме2) в течение одно часового интервала времени записи данных, требуется запись данных во временном диапазоне от 1ч 40м до 2ч 00м.

Табл.7

Базовые линии Тип решения Отношение (Ratio) Промежуток времени записи данных

ДХ(ш) 0.036

1 AY(m) 0.006

AZ(m) -0.030 Iono free fixed 1.5 1ч 40м

AS(m) -0.012

КД 12

AX(m) -0.009

AY(m) 0.028

2 AZ(m) 0.016 Iono free fixed 10.3 1ч 58м

AS(m) -0.004

КД 1.5

ДХ(гп) -0.008

AY(m) 0.032

3 AZ(m) 0.150 Iono free fixed 7.8 1ч 51м

AS(m) 0.002

КД 1.9

ДХ(ш) 0.056

AY(m) 0.100

4 AZ(m) 0.006 Iono free fixed 1.6 1ч 47м

AS(m) -0.045

кд 14.1

ДХ(ш) 0.021

AY(m) -0.019

5 AZ(m) -0.020 Iono free fixed 1.9 2ч 00м

AS(m) -0.017

КД 10.2

ДХ(ш) -0.018

6 4Y(m) 0.061

AZ(m) -0.023 Iono free fixed 8.1 2ч 00м

AS(m) 0.001

КД 2.0

Далее в ходе эксперимента при помощи разработанной методики коррекции ионосферной задержки рассматриваются в точках НОАВИЧН, НН11и ВНЗЗ, как двухчастотные приемники, по измерениям которых была выполнена оценка значений ионосферных задержек линейной интерполяцией для одночастотного приемника, находящегося в точке СР8-03. Данные для экспериментального расчета были выбраны также в течение времени с 6ч 00

м до 7ч 00м. В табл.8 приведены отклонения разности компонентов координат (Х,У,2) и наклонных длин (5) базовых линий СР5-03-НН11 (1), НОАВ1Ш-СР5-03 (2) и СРЗ-ОЗ-ВНЗЗ (3), между точными решениями (ТС) и решениями, полученными разработанной методикой исправления ионосферной задержки с учетом влияния многолучевой составляющей погрешности (Ме4)и без учета такого влияния (Ме5).

Приведенные в табл.8 результаты показывают, что с помощью разработанной методики исправления ионосферной задержки Ме4 отклонение разностей компонентов координат (Х,УД и наклонных длин (Б) базовых линий при сравнении с точными решениями составляет величину порядка сантиметров, а с помощью разработанной методики Ме5 отклонение составляет более одного дециметра для компонентов координат X, У в среднем.

Таблица.8. Отклонения разности компонентов координат (Х,У,2) и наклонных длин (5) базовых линий между точными решениями (ТС) и решениями, полученными Ме4 и Ме5.

Базовые линии ТС-Ме5 ТС-Ме4

1 АХ(ш) -0.264 -0.016

ДУ(ш) -0.222 0.030

Дг(т) 0.084 -0.012

Д5(т) -0.065 -0.014

кд 51.1 8.6

2 ДХ(т) -0.155 0.044

ДУ(ш) -0.177 -0.015

Аг(т) -0.061 -0.027

Д8(т) -0.056 -0.042

КД 19.2 13.1

3 ДХ(т) -0.045 0.091

ДУ(ш) -0.127 0.081

дг(т) 0.007 -0.029

Д5(т) -0.074 0.064

КД 10.3 9.4

Таблица 9. Отклонения разности компонентов координат (X,Y,Z) и наклонных длин (S) базовых линий между точными решениями (ТС) и решениями, полученными

Mel и Ме2 и МеЗ.

Базовые линии TC-Mel TC-Me2 TC-Me3

1 ДХ(гп) -0.109 -0.065 0.162

AY(m) 0.161 0.035 -0.179

AZ(m) -0.101 -0.053 -0.147

AS(m) -0.111 -0.075 -0.088

кд 17.1 11.3 7.8

2 ДХ(т) -0.096 0.009 0.060

AY(m) 0.065 0.021 0.103

AZ(m) -0.006 -0.022 -0.070

AS(m) -0.052 -0.009 -0.037

КД 11.9 8.7 6.8

3 AX(m) -0.025 0.014 -0.012

AY(m) 0.075 0.005 0.030

AZ(m) 0.026 0.014 0.013

AS(m) -0.007 0.019 -0.003

КД 14.4 11.9 2.1

4 ДХ(ш) 0.129 0.112 0.026

AY(m) 0.208 0.005 0.068

AZ(m) -0.104 0.009 0.107

AS(m) -0.015 0.015 -0.124

КД 25.3 11.8 10.5

5 ДХ(т) -0.041 0.006 -0.045

AY(m) -0.077 -0.017 -0.180

AZ(m) -0.032 -0.005 -0.045

AS(m) -0.037 -0.007 -0.087

КД 17.6 13.4 6.9

6 ДХ(т) 0.032 -0.015 -0.022

AY(m) 0.076 -0.003 0.063

AZ(m) -0.052 -0.045 -0.026

AS(m) 0.037 -0.030 -0.002

КД 15.3 6.1 2.1

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. В работе доказано, что применение существующих моделей ионосферы не является оптимальным решением для территории Вьетнама, поскольку при этом на основе измерений одной станции, не входящей в состав сетей ГСЯ, не учитываются межчастотные отклонения для псевдодальностей на Р1 и Р2 кодах в аппаратуре приемника и не выполняется оценка многолучевой составляющей погрешности кодовых псевдодальностей.

2. На основе полученных автором более точных аналитических интегральных соотношений для ионосферных задержек сигнала установлена правомерность использования существующих приближенных формул.

3. При восстановлении локальной карты ионосферы над территорией Вьетнама можно достаточно хорошо описать пространственное распределение УТЕС с помощью полинома 2" степени.

4. Разработанная методика учета влияния ионосферы включает в себя как частные случаи методики, сформулированные в пп.З) и 4) положений, выносимых на защиту, т.е. в работе решены задачи учета как межчастотных отклонений, так и многолучевой составляющей.

5. Предложено применить разности ТЕС между спутниками для восстановления локальной карты ионосферы, что даёт возможность устранения влияния межчастотного отклонения в двухчастотном приемнике.

6. Применение разработанной методики коррекции ионосферной задержки с учётом влияния многолучевой составляющей погрешности в псевдодальностях с использованием линейной интерполяции обеспечивает решение базовой линии с длиной до 50 км с точностью порядка сантиметров при относительном позиционировании одночастотными приемниками.

7. По сравнению с дисперсионным методом при решении базовых линий с длиной от 20 км до 80 км разработанная методика коррекции ионосферной задержки позволяет сократить время записи данных, а именно до 60 минут при требуемой точности решения баз не хуже 5 см, и тем самым повысить эффективность относительного позиционирования.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. Фам Хоанг Лонг. Методика определения значений ТЕС и восстановления локальной карты ионосферы на основе измерений отдельным двухчастотным спутниковым приемником М.: Геодезия и аэрофотосъемка. - № 4, 2012. - С.20 - 26.

2. Фам Хоанг Лонг. К оценке точности определения интегральной электронной концентрации в ионосфере при измерениях глобальными спутниковыми системами. М.: Геодезия и аэрофотосъемка. - № 5, 2012. -С.14 - 19.

3. Фам Хоанг Лонг. Результаты применения метода LAMBDA для решения неоднозначности фаз несущих волн при GPS- измерениях во Вьетнаме. Научно-технический журнал горного дела и геологии. Горно-геологический университет. - № 32, 2010.

4. Фам Хоанг Лонг. К оценке точности определения интегральной электронной концентрации в ионосфере при измерениях глобальными спутниковыми системами. Доклад на 67-й научн.-техн. конф. студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК, 3-4 апреля 2012 г.

Подписано в печать 22.04.2014. Гарнитура Тайме Формат 60x90/16. Бумага офсетная. Печать офсетная. Объем 1,5усл. печ. л. Тираж 80 экз. Заказ №62-2014 Цена договорная Издательство МИИГАиК 105064, Москва, Гороховский пер., 4

Текст научной работыДиссертация по наукам о земле, кандидата технических наук, Фам Хоанг Лонг, Москва

МОСКОВСКИЙ ГОСУДАРСТВЕННЫЙ УНИВЕРСИТЕТ ГЕОДЕЗИИ И КАРТОГРАФИИ

На правах рукописи

04201458439

ФАМ ХОАНГ ЛОНГ

РАЗРАБОТКА МЕТОДИКИ УЧЕТА ВЛИЯНИЯ ИОНОСФЕРЫ ПРИ GPS - ИЗМЕРЕНИЯХ НА ТЕРРИТОРИИ ВЬЕТНАМА

Специальность: 25.00.32 — «Геодезия»

Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Голубев А. Н.

МОСКВА-2014

СОДЕРЖАНИЕ

Введение 5

1. Ионосфера и ее влияние на эффективность позиционирования системы GPS Navstar..........................................................................................11

1.1. Ионосфера........................................................................ 11

1.1.1. Магнитное поле Земли.................................................... 11

1.1.2. Вертикальный профиль концентрации электронов в

ионосфере.................................................................... 12

1.1.3. Основные географические регионы ионосферы..................... 13

1.1.4. Ионосферные возмущения.............................................. 15

1.1.5. Влияние ионосферы на распространение электромагнитных волн 17

1.2. Влияние ионосферны на измерение псевдодальностей по

сигналам GPS Navstar.......................................................... 24

1.2.1. Способы измерения псевдодальностей по сигналам GPS Navstar 24

1.2.2. Погрешности измерения псевдодальностей............................ 26

1.2.3. Влияние ионосферы на фазовую и групповую задержку сигналов

GPS..................................................................................... 28

1.2.4. Влияние ионосферы на эффективность относительного метода

34

позиционирования ..........................................................

1.3. Выводы........................................................................ 37

2. Использование GPS для исследования

39

ионосферы........................................................................

2.1. Расчет ТЕС по данным GPS Navstar..................................... 39

2.2. Модель для расчета ионосферной задержки.............................. 44

2.3. Расчет угла места и азимута навигационного космического аппарата..........................................................................

2.4. Расчет координат ионосферной и подионосферной точек............ 50

2.5. Восстановление ТЕС карт................................................... 50

2.6. Оценка эффективности применения существующих моделей ионосферы для коррекции ионосферной задержки........................... 51

2.6.1. Глобальная модель ионосферы Кпобушар.............................. 51

2.6.2. Глобальные карты ТЕС..................................................... 54

2.6.3. Оценка возможности применения существующих моделей для

58

коррекции ионосферной задержки на территории Вьетнама....

2.7. Выводы....................................................................... 67

3. Разработка методики повышения эффективности относительного позиционирования системой вРБ за счет учета влияния ионосферы на основе использования измерений двухчастотными приемниками на территории Вьетнама............................................................. 69

3.1. Оценка возможности применения приближенных формул 71 для расчета ТЕС................................................................

3.2. Оценка многолучевой составляющей погрешности.................. 82

3.3. Выбор модели для восстановления локальной карты ионосферы 85

3.4. Проблема коррекции ионосферной задержки при относительном

103

позиционировании.................................................................

3.5. Влияние межчастотного отклонения в навигационной аппаратуре

потребителя GPS на коррекцию ионосферной задержки.................

3.6. Блок схема алгоритма коррекции ионосферной задержки....................110

3.7. Выводы..........................................................................................................................113

4. Экспериментальные исследования....................................................................................116

4.1. Цели и задачи......................................................................................................................................116

4.2. Подготовка и проведение экспериментов................................................................116

4.2.1. Аппаратура......................................................................................................................................116

4.2.2. Программное обеспечение................................................................................................116

4.2.3. Условия и ход проведения экспериментов........................................................118

4.3. Экспериментальные исследования разработанной методики..............118

4.4. Выводы............................................................................................................................126

ЗАКЛЮЧЕНИЕ..........................................................................................................................................128

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ..................................................................................................................131

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ..............................................................................................................133

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ......................................................136

Введение

Обоснование актуальности темы диссертации. Принцип глобального позиционирования с использованием спутниковой системы открыл новые эффективные возможности для решения задач по определению местоположения точек вообще и для удовлетворения различных геодезических целей в частности. В отличие от известных традиционных наземных методов определения координат спутниковое позиционирование основано на использовании электромагнитных сигналов, посылаемых со спутников, вращающихся в околоземном пространстве на высоте нескольких десятков тысяч километров. В связи с этим точность и эффективность принципиально новой концепции позиционирования резко возросла и её преимущества стали бесспорными. Однако, распространяясь сквозь атмосферную оболочку Земли, спутниковые сигналы подвергаются присущему радиоволнам воздействию со стороны ионосферных частиц, наиболее заметно проявленному в ионосферной задержке. Для ограничения такого рода негативного влияния внешних факторов с целью повышения точности и эффективности спутникового позиционирования были предложены различные мероприятия и способы, такие как использование двухчастотных приёмников, создание станций ионосферного наблюдения и т. д. В действительности же не все выпускаемые приёмники являются двухчастотными и не все потребители нуждаются в них; До сих пор не во всех частях земного шара имеется достаточно густая сеть станций слежения за ионосферой, тем более не в любой момент времени достаются от неё требуемые данные и не в каждом государстве есть подобная служба или хотя бы одна - две такие специфические станции. В этом отношении Вьетнам не является исключением.

Таким образом, возникла объективная необходимость в разработке

методики автономного учёта влияния ионосферы для повышения

5

эффективности спутникового относительного позиционирования как одночастотными, так и двухчастотными приёмниками во Вьетнаме.

С желанием внести скромный вклад в решение названного вопроса автор рассматриваемой диссертационной работы и выбрал как тему для исследования: «Разработка методики учета влияния ионосферы при GPS -измерениях на территории Вьетнама»

Степень разработанности темы исследований. Влиянию ионосферы на GPS-измерения посвящено большое количество работ и имеется широкая сеть стационарных наземных двухчастотных приемных станций, которые, используя сигналы спутниковых навигационных систем типа GPS/ГЛОНАСС, собирают данные об ионосфере. Однако распределение таких станций неравномерно. Наиболее плотная сеть имеется в США, а также на территории Европы. Это вызывает трудности при восстановлении региональной и локальной моделей ионосферы в регионах, где отсутствуют плотные сети приемных станций, какие-либо традиционные средства ионосферного мониторинга и в областях экваториальной аномалии. Вьетнам расположен в одном из указанных регионов. Поэтому проблема достоверного и оперативного моделирования ионосферы с использованием сигналов рассеянной (редкой) сети приемных станций, расположенных на территории Вьетнама и некоторых окружающих стран, требует специальной разработки.

Цель и основные задачи исследований. Основной целью диссертационной работы является разработка методики автономного учета влияния ионосферы на основе использования измерений отдельным двухчастотным приемником для повышения эффективности относительного позиционирования системой GPS на территории Вьетнама.

Для достижения указанной цели решались следующие задачи. 1. Анализ и оценка существующих приближённых формул для расчёта ТЕС.

2. Анализ и оценка возможности применения существующих моделей ТЕС для учёта ионосферной задержки спутниковых сигналов в условиях Вьетнама.

3. Устранение влияния межчастотного отклонения DCB в аппаратуре приёмника на ионосферные задержки.

4. Оценка и учёт влияния многолучевой составляющей погрешности кодовых псевдодальностей.

5. Разработка методики и создание соответствующего математического обеспечения автономного учета влияния ионосферы на основе использования измерений двухчастотными приемниками.

6. Проведение экспериментов по практической реализации разработанной методики.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Обоснована правомерность и достаточность применения существующих приближённых формул для расчёта ТЕС.

2. Предложен способ исключения влияния межчастотных отклонений в приемнике на задержку сигнала в ионосфере.

3. Разработана методика почти автономного учета влияния ионосферы на основе использования измерений отдельными двухчастотными приемниками, как рациональное решение для повышения эффективности относительного позиционирования системой GPS в условиях отсутствия сети ионосферных станций.

Теоретическая значимость работы. Обоснована достаточность применения приближённых формул для расчёта ТЕС и продемонстрирована возможность почти автономного восстановления локальной карты ионосферы по измерениям отдельным двухчастотным приёмником для

повышения эффективности спутникового относительного позиционирования в условиях отсутствия сети ионосферных станций.

Практическая значимость работы. Из результатов, полученных в диссертации, следует, что спутниковое относительное позиционирование может быть осуществлено одночастотными приёмниками с погрешностью не более 10 см при длине базовых линий до 50 км, а в случае использования двухчастотных приёмников для базовых линий от 20 км до 80 км; при точности не хуже 5 см время записи данных может быть сокращено до 60 минут.

Методология и методы исследования. В диссертации использованы методы математического моделирования ионосферы, сравнение и анализ различных вариантов получения ионосферных карт, графическое представление результатов, выполнение экспериментальных измерений на территории Вьетнама.

Положения, выносимые на защиту.

1. Оценка применимости существующих моделей ТЕС для обеспечения требуемой для целей геодезии точности при спутниковых измерениях на территории Вьетнама.

2. Точные формулы для расчета ТЕС, на основе которых доказывается правомерность и достаточность применения существующих приближенных формул.

3. Методика почти автономного восстановления карты ионосферы по измерениям отдельными двухчастотными приемниками в условиях отсутствия сети ионосферных станций.

4. Методика определения ТЕС по двухчастотным измерениям с коррекцией многолучевой составляющей погрешности.

5. Экспериментальные результаты, подтверждающие эффективность предложенной методики учета влияния ионосферы.

Степень достоверности и апробация результатов. Достоверность полученных в диссертационной работе результатов подтверждается экспериментальными исследованиями, показавшими эффективность предложенной методики восстановления ионосферных карт. Основные результаты выполненной работы были доложены на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК 03 апреля 2012 г.

Вклад автора в проведенное исследование. Все результаты диссертационной работы получены её автором самостоятельно с учетом международного опыта подобных работ.

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит из введения, четырех разделов основного текста и заключения. Список литературы насчитывает 36 наименований на русском и английском языках. Общий объем работы составляет 141 страницы машинописного текста и содержит 44 рисунка и 15 таблиц.

В первом разделе рассматривается влияние ионосферы на

эффективность позиционирования системы GPS. Второй раздел посвящен

использованию сигналов системы GPS для исследования ионосферы. В

третьем разделе рассматривается методика повышения эффективности

относительного позиционирования системой GPS за счет учета влияния

ионосферы на основе использования измерений двухчастотными

приемниками на территории Вьетнама. В четвертом разделе представлены

результаты экспериментальных исследований разработанной методики

повышения эффективности относительного позиционирования системой GPS

за счет учета влияния ионосферы на основе использования измерений

9

двухчастотными приемниками на территории Вьетнама. В заключении перечисляются основные результаты диссертационной работы и формулируются необходимые выводы.

Апробация результатов работы

Основные результаты по теме диссертации докладывались на научно-технической конференции студентов, аспирантов и молодых ученых МИИГАиК 03 апреля 2012.

1. Ионосфера и ее влияние на эффективность позиционирования системой GPS

1.1. Ионосфера

Ионосфера - это ионизированная часть верхней атмосферы Земли, которая окружает нашу планету в виде оболочки, расположенной на высотах выше 55 - 60 км. Структура и свойства ионосферы сильно меняются с высотой. Процессы, протекающие в ионосфере, тесно связаны как с солнечной активностью, так и с процессами в магнитосфере и вариациями магнитного поля Земли, с движениями верхней атмосферы и т. д. Этим обусловлена сильная изменчивость свойств ионосферы во времени (в течение суток, в зависимости от времени года, с одиннадцатилетним циклом солнечной активности), а также в зависимости от высоты и широты.

1.1.1. Магнитное поле Земли

Магнитное поле Земли играет важную роль в формировании ионосферы. Это подчеркивает важность использования координат геомагнитного поля для описания или моделирования ионосферы. В первом приближении можно считать, что Земля является однородно намагниченным шаром с магнитной осью, наклоненной на 11,5° к оси вращения Земли. Эта ось (называемая дипольной осью) пересекает поверхность Земли в Артике в северном магнитном полюсе и в Антарктиде в южном магнитном полюсе. Линию пересечения земной поверхности плоскостью, проходящей через центр Земли перпендикулярно дипольной оси, называют геомагнитным экватором. Для описания реального геомагнитного поля используется дипольная широта. В этом случае полюсы называют дипольными полюсами, где геомагнитное поле вертикально к земной поверхности и дипольным экватором, на котором геомагнитное поле направлено горизонтально.

1.1.2. Вертикальный профиль электронной концентрации ионосферы

Согласно существующим представлениям ионосферу принято разделять на несколько областей (слоев), связанных с соответствующими максимумами электронной концентрации. За ними закрепилось название слоев Б, Е, и Р2. Они различаются спецификой процессов ионизации, возбуждения, диссоциации, рекомбинации, переноса в атмосферных газах. Часто (а ночью почти всегда) слой отсутствует, в таком случае слой ¥2 называют просто слоем Б. Основной источник электронов в слое Б - процесс ионизации О и N2 солнечным излучением с длиной волны от 14 до 80 нм. Это основной максимум электронной концентрации в ионосфере. Он располагается на высоте примерно 250-300 км (максимум слоя - 160-180 км). Слой Е (90-130 км.) ионизируется излучением меньше 14 нм и от 80 до 102.7 нм. (102.7 - порог ионизации для 02). Излучение с длиной волны более 102.7 нм не может ионизировать основные газы, и не играет большой роли в ионообразовании, за одним исключением. Интенсивная линия Ь , с длиной волны 121.6 нм вследствие слабого поглощения верхними слоями глубоко проникает в атмосферу и играет определенную роль в образовании слоя О (ниже 90 км.). Другими источниками излучения для слоя Б являются коротковолновое излучение с X < 1 нм, ионизирующее оксид азота, а также излучение с X от 102.7 до 111.8 нм, ионизирующее возбужденные молекулы кислорода, находящиеся в метастабильном состоянии 02 (!Дя) [9].

1.1.3. Основные географические регионы ионосферы

Свойства и поведение ионосферы меняются в зависимости от геомагнитной широты, поэтому и степень влияния ионосферы на погрешность измерения псевдодальностей тоже меняется в зависимости от геомагнитной широты. Можно выделить несколько областей, где поведение ионосферы имеет свои особенности:

• полярная область;

• авроральная область;

среднеширотная область; экваториальная область.

Горизонтальные градиенты вертикальной задержки сигнала в ионосфере определяется широтными и долготными градиентами. Наибольшие горизонтальные градиенты вертикальной задержки сигнала в ионосфере наблюдаются в экваториальных и высоких широтах. Среднеширотная область характеризуется небольшими возмущениями, поведение ионосферы наиболее предсказуемо. Авроральные и полярные области характеризуются частыми возмущениями ионосферы, вызванные проникновением заряженных ча�