Содержание к диссертации
Введение
1. Общая характеристика спутниковых радионавигационных систем и факторы, влияющие на точность их позиционирования 14
1.1. Общие сведения о спутниковых радионавигационных системах GPS,l^IOHACC 14
1.1.1. Назначение, состав и требования к спутниковым радионавигационным системам 14
1.1.2. Структура радиосигнала и частотный план сигналов НС СРНС 16
1.1.3. Общие принципы и методы навигационно- временных определений 18
1.2. Источники погрешностей навигационно-временных определений СРНС 20
1.2.1. Кодово-фазовые измерения и измеряемые величины 20
1.2.2. Виды погрешностей и их вклад в точность навигационно-временных определений в СРНС 24
1) Погрешности, обусловленные расхождением шкал времени относительно системного времени СРНС 24
2) Погрешности эфемеридного обеспечения 25
3) Значение «геометрического фактора» в СРНС 25
4) Погрешности, вызванные дополнительной
задержкой распространения сигнала в аппаратуре НС и НАП..26
5) Погрешности многолучевости 26
6) Погрешности, вносимые на трассе распространения сигнала НС 27
1.3. Нерегулярные явления в ионосфере и их влияние на качество работы СРНС 32
1.3.1. Нерегулярные вариации полного электронного содержания 1) Явления, связанные с магнитными бурями 32
2) Перемещающиеся ионосферные возмущения и внезапные возмущения ПЭС 37
1.3.2. Влияние нерегулярных вариаций среды ОКП на параметры сигналов НС СРНС 38
1) Фазовое и групповое запаздывание радиоволн в ионосфере .39
2) Флуктуации амплитуды и фазы сигналов НС СРНС 41
1.3.3.Обзор литературы по влиянию нерегулярных явлений в ОКП на качество функционирования СРНС 46
Выводы по разделу 1 55
2. Методика алгоритмическое обеспечение оценки погрешности позиционирования СРНС
2.1. Характеристика критериев оценки точности позиционирования 56
2.2. Методика оценки точности и непрерывности позиционирования 58
2.2.1. Глобальная сеть двухчастотных приемников GPS 58
2.2.2. Описание RINEX-файлов 60
2.2.3. Последовательность обработки данных 62
2.3. Методика статистического оценивания погрешности позиционирования 64
2.4. Программно-алгоритмическое обеспечение 72
2.4.1. Исполняемые функции программного комплекса
"Навигатор" 72
2.4.2, Управление программным комплексом 77
3. Экспериментальные исследования погрешности и сбоев позиционирования спутниковой навигационной системы GPS 81
3.1. Характеристика экспериментальной базы данных и условия эксперимента 81
3.2. Погрешности позиционирования GPS при невозмущенной ионосфере 88
3.3. Погрешности позиционирования GPS в условиях геомагнитных возмущений 94
3.3.1. Магнитная буря 15-16 июля 2000 г 94
3.3.2. Магнитная буря 31 марта 2001 г 97
3.3.3. Магнитная буря 29-31 октября 2003 г 99
3.3.4. Статистика среднесуточных значений погрешности позиционирования 110
3.4. Сбои позиционирования в магнитоспокойных условиях 118
3.5. Сбои позиционирования в условиях возмущенной ионосферы 123
3.5.1. Магнитные бури 15 июля 2000 г и 31 марта 2001 г 123
3.5.2. Магнитная буря 29-31 октября 2003 г 125
3.5.3. Статистика сбоев позиционирования 134
3.6. Зависимость погрешности позиционирования от широты Ф- GPS станции 136
3.7. Зависимость плотности сбоев позиционирования от широты GPS станции 138
3.8. Статистические оценки точности позиционирования приемников GPS 142
3.8.1. Продолжительность возмущенного периода 143
3.8.2. Максимальные интервалы для различных значений погрешности 146
3.8.3. Статистическое распределение вероятности погрешности позиционирования 149
3.8.4. Теоретическое распределение вероятности
д погрешности позиционирования 153
Выводы по разделу 3 156
4. Геофизические факторы, влияющие на точность позиционирования GPS 157
4.1. Общая характеристика и геометрия эксперимента 157
4.2. Вариации полного электронного содержания 159
4.2.1. Степенной спектр ионосферных неоднородностей 161
4.2.2. Амплитудные вариации и пропуски данных 168
4.2.3. Наблюдения мерцаний амплитуды сигналов GPS 171
4.3. Динамика аврорального овала 175
4.3.1. Связь погрешности позиционирования с пространственно-временными характеристиками аврорального овала 15 июля 2000 г на территории Северной Америки 177
4.3.2. Связь погрешности позиционирования с пространственно-временными характеристиками аврорального овала 15 июля 2000 г в Восточной Сибири 178
4.3.3. Наблюдение сигналов обратного рассеяния 15 июля 179
4.3.4. Обсуждение и интерпретация результатов 183
4.4. Абсолютные значения и градиенты полного электронного содержания 186
4.5. Прогноз ухудшения точности позиционирования GPS на период предсказанного геомагнитного возмущения 189
4.5.1. Мониторинг околоземного космического пространства с целью прогноза геомагнитного возмущения 190
4.5.2. Прогноз погрешности позиционирования на предсказанное геомагнитное возмущение 197
4.5.3. Рекомендации пользователям по выбору приемников GPS 199
Выводы по разделу 4 201
А Заключение 202
Благодарности 204
Список используемых источников
- Структура радиосигнала и частотный план сигналов НС СРНС
- Методика оценки точности и непрерывности позиционирования
- Погрешности позиционирования GPS при невозмущенной ионосфере
- Степенной спектр ионосферных неоднородностей
Введение к работе
По мере развития прогресса наша цивилизация все более и более полагается на космические системы связи, навигации и локации, функционирование которых в определенной степени зависит от состояния околоземного космического пространства (ОКП). Чтобы подготовиться к решению проблем уязвимости этих систем, ряд правительственных ведомств США разработали программу, названную Национальной Программой Космическая Погода [97]. Аналогичная программа разрабатывается и в России.
Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) - американская GPS [82] и российская ГЛОНАСС [40, 45] стали в настоящее время мощным фактором мирового научно-технического прогресса и продолжают все активнее использоваться в различных сферах человеческой деятельности: науке, экономике, технике. Они в состоянии обеспечить глобальность, точность, непрерывность и высокую достоверность определения координат (позиционирования) при решении широкого круга прикладных задач.
Развитие старых и появление новых направлений использования современных СРНС выдвигает новые, все более жесткие требования, как к точности позиционирования, так и надежности навигационного обеспечения. Эти требования вытекают из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения наземных и воздушных объектов, а также решения некоторых специальных задач (наблюдение, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей и др.).
Качество функционирования СРНС, использующих канал распространения радиоволн Космос-Земля, существенно ограничено влиянием ОКП. При этом основной вклад приходится на системные ионосферные эффекты распространения радиоволн: групповое и фазовое запаздывание, доплеров-ское смещение частоты. Степень проявления указанных эффектов во многих случаях слабо зависит от локального распределения электронной концентра-
ции, но прямо связана с величиной полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиосигнала.
В условиях невозмущенного ОКП основной вклад в формирование любого из перечисленных ионосферных эффектов вносит регулярная составляющая ПЭС. Ее величина испытывает закономерные вариации (сезонно-суточные, широтные и долготные) и может прогнозироваться с удовлетворительной точностью. Сложнее оказывается ситуация в условиях геомагнитных возмущений ОКП. При этом существенно проявляется нерегулярная составляющая ПЭС и возникают пропорциональные флуктуации группового (фазового) запаздывания, которые могут вызывать появление дополнительных погрешностей позиционирования. Кроме этого, активизируется процесс генерации мелкомасштабных ионосферных неоднородностеи, рассеяние на которых вызывает флуктуации амплитуды и фазы сигналов навигационных спутников (НС) в точке приема [104]. В наихудших случаях возможен срыв сопровождения сигнала одного или нескольких НС навигационного созвездия по фазе (коду) на одной из рабочих частот СРНС и, как следствие, сбой в определении координат.
Флуктуации, или мерцания фазы и амплитуды, наблюдаемые на разных частотах, были хорошо исследованы в экваториальных и авроральных областях [25, 90, 105, 106]. Средние широты в этом отношении считались исключительно спокойными. Утверждалось, что на средних широтах отсутствуют условия, приводящие к возникновению мелкомасштабных неоднородностеи (большие градиенты электронной концентрации, скорости дрейфа, сильные электрические поля). Только в последние 3-4 года появился ряд работ по исследованию фазовых и амплитудных мерцаний сигналов на средних широтах [5, 54, 70, 95].
В некоторых исследованиях указывается, что в условиях магнитных бурь срывы сопровождения сигнала НС по фазе и коду на второй (вспомогательной) частоте/j GPS наблюдаются значительно чаще, чем на первой [5, 68, 70, 106]. Поэтому непрерывность и точность позиционирования в двух-
частотном режиме работы приемника GPS в условиях геомагнитных возмущений ОКП может оказаться неприемлемой для решения некоторых важных задач. Ряд авторов отмечает также различную реакцию приемников GPS разных фирм-производителей на геомагнитные возмущения [5, 105, 106].
В последнее время активно ведутся работы по исследованию фазовых флуктуации и сбоев фазовых и кодовых дальномерных измерений в СРНС в условиях геомагнитных возмущений [5, 54]. Однако с точки зрения потребителя значительно больший интерес представляют исследования, посвященные влиянию геомагнитных возмущений на качество функционирования СРНС, именно как системы определения местоположения.
В связи с этим, предметом данной диссертации являются точность и непрерывность позиционирования приемников спутниковых радиотехнических систем навигации во время геомагнитных возмущений.
Цель настоящей работы заключается в разработке методики тестирования и прогнозирования точности позиционирования приемников спутниковых радиотехнических систем навигации в различных геофизических условиях на основе обработки данных глобальной сети двухчастотных приемников GPS. Для достижения данной цели необходимо было решить следующие задачи:
Разработка методики и программно-алгоритмического обеспечения для обработки данных и анализа точности и непрерывности позиционирования по сигналам СРНС.
Создание базы данных глобальной сети приемников GPS за период 2000-2003 г.г., необходимой для получения оценок точности и непрерывности позиционирования по сигналам СРНС.
Исследование зависимости точности и непрерывности определения координат по сигналам СРНС в одно- и двухчастотном режимах от уровня геомагнитного возмущения и географического местоположения навигационного приемника.
Изучение связи увеличения погрешности позиционирования по сиг-
налам СРНС с геофизическими процессами, сопровождающими геомагнитные возмущения.
5. Выработка практических рекомендаций пользователям СРНС в условиях геомагнитных возмущений околоземного космического пространства и разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов (БРЭК) по выбору типа навигационного приемника.
Научная новизна исследования
1. Впервые с использованием разработанного в диссертации метода и
программного комплекса на основе обработки данных глобальной сети двух-
частотных приемников GPS показано, что в условиях геомагнитных возму
щений ошибка позиционирования СРНС на средних широтах возрастает в
2...6 раз по сравнению с магнитоспокойными периодами.
2. Впервые показано, что ухудшение точности позиционирования
СРНС во время магнитных бурь наиболее выражено во время резких и глу
боких изменений напряженности магнитного поля Земли, а география сбоев
позиционирования зависит от пространственно-временных характеристик
аврорального овала и распределения градиентов полного электронного со
держания.
3. Впервые получены качественные и количественные оценки погреш
ностей позиционирования по сигналам СРНС для различных типов приемни
ков, геомагнитных условий и географического местоположения.
Достоверность результатов
Достоверность результатов, представленных в диссертации, обусловлена обширной статистикой наблюдений и качественным согласием полученных результатов с результатами независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами и с известными положениями теории.
Практическая значимость работы состоит в том, полученные результаты и разработанные в диссертации методики могут быть использованы для разработки алгоритма прогнозирования ожидаемой точности и непрерывности измерений СРНС в период предсказанного геомагнитного возму-
щения. Результаты работы могут быть полезны разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов, как рекомендации по выбору типа навигационных приемников при эксплуатации в высокоширотных регионах или при геомагнитных возмущениях.
Личный вклад автора
Основные результаты работы являются оригинальными и получены либо лично автором, либо при его непосредственном участии. Автору принадлежат;
Создание и обработка базы данных глобальной сети приемников GPS для серии магнитных бурь и магнитоспокойных дней за период 2000-2003 г.г.
Обработка и анализ данных эксперимента по изучению пространственно-временных характеристик точности и непрерывности позиционирования различных приемников GPS в различных геофизических и географических условиях.
Автор принимал непосредственное участие в:
Разработке методики и программно-алгоритмического обеспечения для обработки данных и анализа точности и непрерывности позиционирования СРНС;
Изучении связи динамики авроральной активности и погрешности позиционирования в системе GPS;
Получении статистических характеристик погрешности позиционирования с целью прогнозирования ожидаемого ухудшения точности определения координат.
Апробация работы
Основные результаты и выводы, приведенные в диссертации, докладывались и обсуждались на IX международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь», Воронеж, 2003; V Всероссийской научно-технической конференции «Современные проблемы радиоэлектроники», Красноярск, 2003; Всероссийской научно-практической конференции
«Достижения науки и техники - развитию сибирских регионов», Красноярск, 2003; Всероссийской научно-технической конференции «Решетневские чтения», Красноярск, 2003; международном симпозиуме COSPAR-2004, Париж, 2004; «Байкальской школе по фундаментальной физике - 2004», Иркутск, 2004, а также на научных семинарах ИВАИИ, ИСЗФ СО РАН, ИГУ.
Основные положения, выносимые на защиту:
Методика и программно-алгоритмическое обеспечение, позволяющие эффективно проводить анализ качества функционирования аппаратуры пользователя СРНС по данным глобальной сети двухчастотных приемников GPS.
Результаты экспериментальной оценки точности и непрерывности позиционирования СРНС за 14 суток периода 2000-2003 г.г., для 86 станций глобальной сети приемников GPS в условиях спокойного и возмущенного геомагнитного поля, на низких, средних и высоких широтах в западном и восточном полушариях.
Результаты статистического анализа точности позиционирования приемников СРНС, позволяющие выполнять прогноз точности позиционирования на период предсказанного геомагнитного возмущения.
Практические рекомендации пользователям СРНС и разработчикам бортовых радиоэлектронных комплексов.
Структура и объем диссертации
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения и списка использованных источников, содержащего ПО ссылок. Общий объем диссертации - 221 страница, включая 19 таблиц, 61 рисунок и 4 приложения.
Структура радиосигнала и частотный план сигналов НС СРНС
Каждый НС GPS, ГЛОНАСС излучает одновременно сигналы на двух когерентно-связанных частотах. Основой для формирования всех компонентов сигнала является бортовой стандарт частоты. Несущая частота сигналов каждого НС подвергается процедуре относительной фазовой манипуляции (ОФМн) дальномерными кодами и навигационным сообщением.
Несущая частота поддиапазона L1 модулируется двоичной последова тельностью, образованной суммированием псевдослучайного (ПС) дально-мерного кода, цифровой информации навигационного сообщения и вспомогательного колебания типа меандр. Несущая частота поддиапазона L2 модулируется двоичной последовательностью, образованной суммированием ПС дальномерного кода и вспомогательного колебания типа меандр [22].
Номинальные значения несущих частот навигационных радиосигналов НС ГЛОНАСС (литерных частот) в частотных поддиапазонах L1 и L2 определяются следующими выражениями: Ікі =foi + K-Afn ЇК2 =foi + K-Af2, (1.1) где: К- номера литерных частот навигационных радиосигналов, излучаемых НС в частотных поддиапазонах L1 и L2; f oi = 1602 МГц, Af / = 562,5 кГц (поддиапазон h\);f02 = 1246 Мгц, Af2 437,5 кГц (поддиапазон L2) [22].
Радиосигналы НС GPS занимают две полосы частот шириной 20,46 МГц каждая, с фиксированными центральными частотами f}=\ 575,42 МГц (поддиапазон L1) и/2=1227,6 Мгц (поддиапазон L2) [72]. Несущие частоты в поддиапазонах L1 и L2 модулируются двумя двоичными ПСП, каждая из которых образована путем суммирования по модулю 2 псевдослучайного дальномерного кода и навигационной информации [72]. Сигналы НС GPS поддиапазонов L1 и L2 можно представить следующим образом: SL!(t) =а, -P(t) -Y(t) -D(t) -cos(f, ) + a} -C(t) -D(t) sin(fi t) (1.2) SL2(t)=a2-P(t) Y(t) -D(t) -cosfo). где aij-cos(fi24) — несущая сигнала НС на частоте/} или f2; P(t)- дальномер-ный код повышенной точности (precision code, Р-код) для ограниченного круга пользователей; С(У-дальномерный код общего доступа стандартной точности (coarse acquisition code, С/А -код); D(t) - навигационная информация; Y(t)- псевдослучайный код, предназначенный для предотвращения несанкционированного доступа к пользованию Р-кодом (Y-код антиспуфинга). Выбор модулирующей последовательности осуществляется по коман дам подсистемы контроля и управления. По команде от ПКУ также может быть включен или отключен режим Y-кодирования радиосигнала диапазона L2 (режим антиспуфинга). Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый "режим выборочного доступа" - режим SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к существенному снижению точности навигационных определений (с мая 2000 г. этот режим отключен).
бщие принципы и методы навигационно-временных определений
Главным содержанием навигационной задачи, которая решается СРНС, является определение пространственно-временных координат пользователя и составляющих его скорости (навигационно-временные определения).
Эти навигационные параметры могут быть определены косвенно путем измерения радионавигационных параметров радиосигналов НС, таких как кодовое или фазовое запаздывание, доплеровское смещение частоты.
Если известны значения кодового (фазового) запаздывания радиосигнала НС (т) и доплеровская частота радиосигнала (/Ь), то соответствующие геометрические параметры - дальность до /-го НС (R,) и скорость пользователя (Ур), будут равны Rj=c-x и Vp fD- k, где Х- длина волны сигнала НС.
Известно несколько методов определения пространственных координат пользователя СРНС [16, 22, 45, 46]. Основным методом, который реализован в навигационной аппаратуре потребителя СРНС, является псевдодальномер-ный метод. Данный метод основан на беззапросных измерениях псевдодальности Ri между пользователем и каждым /-ым НС, из числа спутников, находящихся в пределах радиовидимости.
Методика оценки точности и непрерывности позиционирования
В разделе 1 отмечались высокие требования к современным радионавигационным системам, в том числе точностным характеристикам. В зависимости от решаемых задач требуемая точность координатных определений лежит в пределах от 2...3 км в открытом море до десятков сантиметров при выполнении специальных заданий [45], Исходя из таких высоких требований к навигационным определениям, можно утверждать, что точность позиционирования является главным критерием качества СРНС. СРНС должна обеспечивать пользователя пространственно-временными координатами непрерывно, в любой момент времени. Для целого ряда задач на первом месте, наряду с точностью стоит такой параметр, как непрерывность координатных определений.
В связи с этим, в диссертационной работе за критерии качества функционирования СРНС были взяты точность и непрерывность позиционирования.
В диссертационной работе точность позиционирования оценивалась по величине сферической среднеквадратической погрешности (СКП) определения координат. Для этой цели рассчитывались текущие и средние значения сферической СКП.
Текущая сферическая СКП ?"(/,), м равна [45]: где 7xi) CTyi, jzi — текущая СКП определения соответствующей координаты в прямоугольной геоцентрической системе координат: где x,y,z - средние значения соответствующих координат: _ JV _ N _ N і=1 і=1 !=1 где JV — количество измерений на заданном текущем интервале времени продолжительностью At.
Текущие значения ст(/;) рассчитывались с шагом заданной продолжительности At на протяжении суточного ряда наблюдений.
Для обобщенной оценки точности определения координат использовались средние значения сферической СКП (У , как среднее за сутки значение: м = ! ( ,), (2-4) где М общее количество наблюдений величины а(/у) за сутки.
Для оценки непрерывности позиционирования было введено понятие сбой позиционирования. Под сбоем позиционирования понимается событие, заключающееся в невыполнении условия о-(ґ() о-о = 500 м. (2.5) Значение порога неприемлемой погрешности ст0-500 м было задано эмпирически на основании анализа источников [16, 18, 20, 40, 45, 46, 63, 89], исходя из того, что при решении подавляющего числа практических задач требуется более высокая точность определения координат. В таблице 1.1 бы ли приведены требования к точности определения координат. Так в морской навигации приемлемая погрешность координатных определений лежит в пределах 8... 100 м, в воздушной навигации при заходе на посадку 25 м, а при решении некоторых специальных задач СКП позиционирования не должна превышать 0.25 м.
В диссертационной работе непрерывность позиционирования оценивалась по величине плотности сбоев. В качестве характеристики интенсивности сбоев определения координат использовалась текущая плотность сбоев N12 для двухчастотного и N для одночастотного режима. Значения Nij2 (Ni) определялись как количество сбоев на заданном временном интервале At на протяжении суточного ряда.
Для обобщенной оценки непрерывности позиционирования определялась суточная плотность сбоев NS5 равная общему количеству сбоев за сутки.
Изложенная в данном пункте методика была использована для определения погрешности и сбоев позиционирования в п,п. 3.2-3.5.
Широкие перспективы использования СРНС приводят к необходимости детального изучения параметров самих систем спутниковой навигации, в том числе точности и непрерывности их функционирования, помехозащищенности, особенно при эксплуатации в неблагоприятных условиях (например, во время сильных геомагнитных возмущений). При проведении подобных исследований требуются материальные затраты, направленные на создание необходимых полигонов для испытаний больших партий приемников различных типов, создание специальных программно-аппаратных средств и систем для обработки данных, получаемых с приемников СРНС.
Между тем в мире существует и эксплуатируется глобальная сеть стационарных двухчастотных GPS приемников, данные с которых с временным разрешением 30 секунд централизованно поставляются на сервер SOP АС в стандартном формате RINEX, после чего они доступны по сети ИНТЕРНЕТ. Карта размещения стационарных приемников GPS изображена на рис. 2.1. Сеть приемников непрерывно расширяется, к январю 2004 г. уже насчитывала более чем 2500 зарегистрированных станций. Еще большие возможности планируется получить в ближайшем будущем за счет интеграции с аналогичной российской системой ГЛОНАСС.
Погрешности позиционирования GPS при невозмущенной ионосфере
В данном разделе приведены результаты исследования точности позиционирования приемников GPS при разных уровнях геомагнитной возмущенное на основе использования ИНТЕРНЕТ-данных глобальной сети приемников GPS и разработанного программного обеспечения.
Анализ погрешности и сбоев позиционирования в системе GPS был проведен для высокоширотной, среднеширотной и низкоширотной ионосферы. Высокоширотная ионосфера исследовалась по данным станций GPS, расположенных на широтах 60...80 N, среднеширотная по данным станций, расположенных на 20...60 N западного и восточного полушарий, низкоширотная - на ±20 N. За основу такой широтной классификации были взяты геомагнитные координаты. Так как наибольший интерес представляло исследование точности позиционирования GPS в среднеширотном регионе, то для возможности одновременного анализа в дневных, вечерних и ночных условиях в среднеширотном поясе были выделены четыре сектора: юго-западный (штат Калифорния), северо-восточный США, Европа и Восточная Сибирь. На рис, 3.1 показана геометрия эксперимента, охватывающая станции GPS высокоширотного и среднеширотного регионов. В работах [2, 4, 5, 7] отмечено, что во время геомагнитных возмущений реакция различных двухчастотных приемников отличается. Наименьшая плотность сбоев фазовых измерений наблюдалась для приемников ASHTECH, немного больше для TRIMBLE и наибольшая - для АОА. В связи с этим эксперимент был проведен применительно к приемникам GPS тех же типов и дополнительно для приемников типа ROGUE. В каждом из исследуемых секторов были взяты наборы станций от 2 до 9 для каждого типа приемников. Неравномерный подбор станций можно объяснить преобладанием в данном широтном регионе приемников одного типа, чаще всего ASHTECH, и отсутствием станций с другими типами приемников. Например, в Восточно-Сибирском секторе нет данных по станциям, оборудованных приемником TRIMBLE, и зарегистрированы только по одной станции с приемниками типа АОА и ROGUE.
Точные значения координат анализируемых в работе станций GPS взяты по адресу: http://sopac.ucsd.edu/cgi-bin/dbDataByDate.cgi. Сведения о типах приемников, которыми оборудованы станции, приведены в заголовках RINEX-файлов (рис. 2.2).
Географические и геомагнитные координаты станций по секторам и сведения о приемниках, которыми они оборудованы, приведены в таблицах 3.1...3.6. Названия типов приемников отмечены также на всех панелях рисунков.
Таблица 3.1 содержит сведения об используемых станциях высокоширотного региона. Станция FLIN занесена в таблицу 1 дважды, т.к. до 2000 г. была оборудована приемником ROGUE, а с 2001 г. - приемником АОА. В таблице 3.6. станция FAIR по этой же причине указана дважды, под типом ASHTECH и АОА.
Эксперимент по исследованию точности и непрерывности позиционирования GPS проводился в условиях различной геомагнитной обстановки.
Для эксперимента были выбраны тринадцать дней периода 2000-2003г.г.5 из которых четыре магнитоспокойных и 9 магнитовозмущенных дней, соответствующих пяти магнитным бурям. Данные по магнитоспокоЙ-ным и магнитовозмущенным дням приводятся далее в соответствующих подразделах. Значения геомагнитных индексов Dst и Кр, характеризующих состояние околоземного космического пространства, получены по электронному адресу http://www.wdc.rl.ac.uk/cgi-bin/wdccl/secure/wdcdata.
GPS. На рис. 3.2а приведены вариации индекса геомагнитной возмущенности с максимальным значением Dstmar= -17 нТ. Каждый широтный регион представлен одной из станций, оборудованных приемниками ASHTECH (рис. 3.26), АОА (рис. 3.2в), ROGUE (рис. 3.2г), TRIMBLE (рис. 3.2д).
Из графиков можно заключить, что в магнитоспокоЙных условиях в пределах одного широтного диапазона суточные вариации погрешности позиционирования имеют схожий вид независимо от типа приемника. В то же время проявилось резкое отличие между широтными регионами.
На высокоширотных станциях текущие значения погрешности позиционирования o (t;) лежат в пределах 50... 100 м с отдельными всплесками до 150...210 м. Несколько меньше погрешность позиционирования на станции FLIN (54.7 N; 259.1 Е), оборудованной приемником ROGUE (рис. 3.2д), что можно объяснить ее более южным расположением по отношению к другим станциям.
Похожая картина в низкоширотном регионе. На всех станциях текущая погрешность позиционирования варьирует в пределах 50... 100 м. Максимальные значения достигают значений 180.. .250 м.
В отличие от высоких и низких широт на всех среднеширотных станциях текущие значения погрешности сг(г.) в среднем в два раза меньше: 25...50 м, но также наблюдаются максимальные значения всплесков до 140...270 м.
Эти характеристики среднеширотных станций подтверждаются данными об ошибках позиционирования среднеширотных станций других секторов.
На рис. 3.3 среднеширотный регион дополнительно представлен временными зависимостями с(г у) по данным станций GPS европейского и Восточно-Сибирского секторов в магнитоспокойный день 17 апреля 2001 г. Вариации индекса геомагнитной возмущенности с максимальным значением Dst = -30 нТ показаны на рис. 3.3а.
Степенной спектр ионосферных неоднородностей
На рис. 3. И показаны погрешности позиционирования во время магнитной бури 29...31 октября 2003 г. на высокоширотных станциях GUS2 (ASHTECH), GNAA (TRIMBLE), REYK, NYA1 (АОА).
Из зависимостей off J для станций GUS2 и GNAA видно, что при наличии больших фоновых значений текущей погрешности позиционирования (40...50 м), в моменты резкого изменения напряженности магнитного поля наблюдалось ее увеличение до 130...250 м. Интервалы «возмущенности» значений о(0 длились 6...8 часов.
На станциях с приемниками АОА характер зависимости o(tj) несколько отличается. Наблюдались резкие скачки погрешности позиционирования до 160...250 м в моменты резких вариаций напряженности магнитного поля на фоне относительно невысоких (30...50 м) для данного широтного региона значений текущей u(t .
До сих пор были рассмотрены зависимости погрешности позиционирования по данным измерений двухчастотного режима. В работе проведен анализ и одночастотного режима определения координат. Результаты по нему приводятся в меньшем объеме, так как наибольший интерес представляли двухчастотные измерения.
На рис. 3.12 показаны погрешности позиционирования в магнитную бурю 29...31 октября 2003 г. на тех же станциях GPS северо-восточного сектора США, что и на рис. 3.7, но по данным измерений одночастотного режима. Как видно, характер поведения oftj в целом повторяет все основные
особенности вариаций oft) на рис. 3.7. В интервалы времени, когда наблюдались резкие вариации магнитного поля, погрешность позиционирования значительно увеличивалась на всех станциях. Максимальные значения a(t) достигли 150...230 м для приемников ASHTECH и ROGUE, не более 60...100 м - для приемников АОА и TRIMBLE. По сравнению с двухчастот-ным режимом, значения максимальных a(t уменьшились в 1.7.. .2.2 раза на станциях с TRIMBLE и ROGUE, остались неизменными на станции с АОА и увеличились в 1.2 раза на станции с ASHTECH. Соответственно уменьшилась среднесуточная погрешность в 1.2... 1.5 раз на станциях с приемниками TRIMBLE и ROGUE, осталась на одном уровне для АОА и ASHTECH. Аналогичные результаты получены для других секторов и других магнитных бурь. Более общую картину о точности позиционирования GPS в магнитовоз-мущенных условиях дают гистограммы среднесуточных значений СКП и на рис. 3.13...3.17. На них каждый исследуемый широтный регион или сектор представлен набором из двух-трех станций для каждого типа приемника.
На рис 3.13 гистограммы погрешности позиционирования станций Восточно-Сибирского региона за магнитоспокойный день 17.04.01 и 12 магнито-возмущенных дней периода 2000-2003 г.г., соответствующих 8 магнитным бурям. Из гистограмм можно заключить, что в дни магнитных бурь среднесуточное значение погрешности позиционирования увеличивается в 1.5...4 раза для всех типов приемников. магнитоспокойного дня 12 июля 2000 г. (194) и 9 магнитовозмущенных дней периода 2000-2003 г., соответствующих 5 магнитным бурям.
Каждый тип приемника представлен набором из трех станций: на рис. 3.14 - повторяющим список станций рис. 3.46; на рис. 3.15 наборы станций, оборудованных приемниками АОА, ROGUE и TRIMBLE несколько изменены для расширения геометрии эксперимента (в случае TRIMBLE это сделано и вследствие отсутствия исходных RINEX-файлов первоначальных станций). Анализируя гистограммы рис. 3.14-3.15, можно сделать вывод, что в условиях геомагнитных возмущений среднесуточная погрешность позиционирования для всех типов приемников возрастает в 1.5.. .3 раза по сравнению с маг-нитоспокойными условиями.
В магнитовозмущенных условиях разброс значений т для разных типов приемников составил: 29...118 м (ROGUE); 27...77 м (ASHTECH); 17...84 м (АОА); 12...90 м (TRIMBLE). При этом среднее значение сг по всем станциям и всем возмущенным дням оказалось меньше 60 м для приемников АОА и TRIMBLE и превысило 60 м для ASHTECH и ROGUE.
На рис. 3.16 приведены гистограммы среднесуточных значений погрешности позиционирования в европейском секторе за магнитоспокойный день 17.04.01 г. и за три дня магнитной бури 29...3І октября 2003 г. Приемник ASHTECH представлен на рис. 3.15а станциями LAMA, BOGO; TRIMBLE на рис. 3.156 - станциями JOZE, BELL, GLSV; и ROGUE - станциями RIGA, BOR1 на рис. 3.15 г. Из гистограмм можно заключить, что в дни магнитной бури среднесуточная погрешность позиционирования увеличилась в 1.5...2.5 раза для всех типов приемников по сравнению с магнитоспокойными условиями.
