Разработка методики учета влияния ионосферы при GPS - измерениях на территории Вьетнама тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 25.00.32, кандидат наук Фам Хоанг Лонг

• Фам Хоанг Лонг
• кандидат наук
• 2014

Оглавление диссертации кандидат наук Фам Хоанг Лонг

СОДЕРЖАНИЕ

Введение

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

1.1. Ионосфера

1.1.1. Магнитное поле Земли

1.1.2. Вертикальный профиль концентрации электронов в

ионосфере

1.1.3. Основные географические регионы ионосферы

1.1.4. Ионосферные возмущения

1.1.5. Влияние ионосферы на распространение электромагнитных волн

1.2. Влияние ионосферны на измерение псевдодальностей по

сигналам GPS Navstar

1.2.1. Способы измерения псевдодальностей по сигналам GPS Navstar

1.2.2. Погрешности измерения псевдодальностей

1.2.3. Влияние ионосферы на фазовую и групповую задержку сигналов

GPS

1.2.4. Влияние ионосферы на эффективность относительного метода

34

позиционирования

1.3. Выводы

2. Использование GPS для исследования

39

ионосферы

2.1. Расчет ТЕС по данным GPS Navstar

2.2. Модель для расчета ионосферной задержки

2.3. Расчет угла места и азимута навигационного космического аппарата

2.4. Расчет координат ионосферной и подионосферной точек

2.5. Восстановление ТЕС карт

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

2.6.1. Глобальная модель ионосферы Кпобушар

2.6.2. Глобальные карты ТЕС

2.6.3. Оценка возможности применения существующих моделей для

58

коррекции ионосферной задержки на территории Вьетнама

2.7. Выводы

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

3.1. Оценка возможности применения приближенных формул 71 для расчета ТЕС

3.2. Оценка многолучевой составляющей погрешности

3.3. Выбор модели для восстановления локальной карты ионосферы

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

3.7. Выводы

4. Экспериментальные исследования

4.1. Цели и задачи

4.2. Подготовка и проведение экспериментов

4.2.1. Аппаратура

4.2.2. Программное обеспечение

4.2.3. Условия и ход проведения экспериментов

4.3. Экспериментальные исследования разработанной методики

4.4. Выводы

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ ИСТОЧНИКОВ

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Разработка методики учета влияния ионосферы при GPS - измерениях на территории Вьетнама»

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 частиц вдоль линий магнитного поля. Большие широтные градиенты возникают вдоль границы «аврорального овала». Поведение ионосферы в полярной области наименее предсказуемо. Иногда наблюдается проникновение возмущений из полярных областей в среднеширотную область. В экваториальных широтах ионосфера в наибольшей степени оказывает свое влияние на погрешность измерения псевдодальности. Именно там интегральная электронная концентрация достигает своего максимального значения, в течение суток (см. на рис. 2).

Территория Вьетнама расположена в экваториальной области, которая может быть охарактеризована наиболее высокими значениями пика электронной плотности. Совокупный эффект высокого уровня излучения от Солнца и электрического и магнитного полей Земли приводит к росту и движению электронов вдоль горизонтальных линий магнитного поля. В экваториальной области ионосферы днем по обе стороны от геомагнитного экватора на широтах 10°-20° образуются максимумы ионизации. Это явление известно как экваториальная аномалия. Механизм образования этой аномалии обусловлен так называемым «фонтан-эффектом».

Рис.2. Основые географические регионы ионосферы

1.1.4. Ионосферные возмущения

К настоящему времени накоплен большой материал о структуре ионосферы - глобальном распределении ионизации, ее суточных, сезонных и климатических вариациях. В то же время многочисленные наземные и космические исследования убедительно показали, что характерной особенностью ионосферы является ее изменчивость и неоднородность. Возмущения проявляются в вариациях различных параметров среды: локальной электронной концентрации температуры ионов и электронов, полного электронного содержания (ТЕС - количество электронов в столбе единичного сечения).

Ионосферные неоднородности классифицируются на основе их пространственно-временных масштабов, степени изменения электронной концентрации и скорости перемещения. Пространственно-временные масштабы ионосферных возмущений зависят от параметров инициирующего воздействия.

Авроральные процессы, сопровождающие мощные магнитные бури,

генерируют крупномасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения

(КМ ПИВ). КМ ПИВ являются ионосферным проявлением внутренних

15

атмосферных акустико-гравитационных волн (АГВ), имеют временные периоды порядка 1 часа и длины волн свыше 1000 км. Эти возмущения перемещаются в основном в экваториальном направлении со скоростью порядка 300-1000 м/с.

Среднемасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (СМ ПИВ), возникающие при различных возмущениях нейтральной атмосферы на низких и средних высотах (погодные явления, движение солнечного терминатора, сверхзвуковое движение лунной тени при солнечном затмении и т.д.), создают в ионосфере своеобразное интерференционное поле возмущений с характерными периодами 20-60 мин, длинами волн от 50 до 300 км и всевозможными направлениями перемещения. Считается, что нейтральный ветер при некоторых условиях фильтрует СМ ПИВ по направлениям перемещения, так что можно выделить определенное преобладающее направление. Как правило, среднемасштабные ПИВ имеют наклон фронта около 45° вниз относительно плоскости горизонта, а их интенсивность составляет 5-30%. К классу СМ ПИВ относятся и некоторые особые типы перемещающихся возмущений - перемещающиеся волновые пакеты, изолированные ионосферные неоднородности, имеющие форму импульсов длительностью 10-20 мин. СМ ПИВ вызывают рефракционные искажения радиосигналов.

Мелкомасштабные перемещающиеся ионосферные возмущения (ММПИВ) обычно ассоциируются с погодной активностью. Период таких возмущений лежит в пределах 1-10 мин, а характерный пространственный масштаб составляет 100-1000 м. К ММ ПИВ близки неоднородности промежуточного масштаба (ПМ ПИВ), имеющие тот же временной период 110 мин и пространственные размеры 1-30 км. ММ и ПМ неоднородности вызывают явление Б-рассеяния и мерцания радиосигналов.

1.1.5. Влияние ионосферы на распространение электромагнитных волн

• Отражение радиоволн от ионосферы

Роль ионосферы весьма значительна, она образует нечто вроде природного зеркала, отражающего радиоволны вплоть до диапазона УКВ. При многократном переотражении от ионосферы и Земли радиоволны распространяются на огромные расстояния при сравнительно малом поглощении. Для достаточно коротких волн, однако, ионосфера уже не играет роль отражателя. Это обстоятельство также играет полезную роль, поскольку благодаря отмеченной прозрачности ионосферы возможна радиосвязь с космическими объектами и радиоастрономия. Этот процесс существенно сложнее, чем отражение волн от границы раздела двух различных однородных сред. В той мере, насколько здесь применима геометрическая оптика, уместно говорить о рефракции, возвращающей луч из ионосферы к Земле. Основная суть отражения радиоволн от ионосферы становится понятной, если рассмотреть известную формулу Снеллиуса. Напомним её смысл: если угол входа луча в плоскослоистую среду есть в0, а соответствующий начальный показатель преломления - п0, то для любого мгновенного направления луча (угол tf) в точке, где показатель преломления равен п, справедливо равенство [5]:

п- sind = п0 • sind о (1.1)

Будем исходить из простейщей модели ионосферной плазмы, пренебрегая поглощением, а также влиянием магнитного поля Земли. В этом приближении фазовый показатель преломления среды есть [5]:

1-

80 Р

(1-2)

и он меньше единицы.

Как следует из рис.3, оптическая плотность ионосферы с высотой сначала падает, так как № возрастает от нулевого значения. Поэтому луч, входящий в ионосферу, уклоняется к Земле, как показано на рис. 3; для каждой точки траектории тЗ вычисляется на основании (1). Общий характер этой кривой от того, насколько быстро уменьшается величина п с высотой. При данном распределении электронной концентрации (рис. 3). Это определяется частотой/.

> и*

„ Гранииа ■во ионосферы

уШ/;////////;///////^ '///////////////л в) б)

Рис. 3.

Максимальная частота, соответствующая данному углу в0 при которой еще будет происходить отражение, таким образом, определяется по формуле:

/тах(9о) ~ 9 л/Мтах /СОБ 00 .

(1.3)

В случае вертикального падения (в0=0), она называется критической. Очевидно,

!щ, * 9М

тах

(1-4)

Каково предельное (наибольше) значение максимальной частоты /тах? Для ответа на поставленной вопрос необходимо учесть сферичность Земли (рис. 4.). Как видно, в случае излучателя, находящегося на земной поверхности, угол в0 не может превосходить значения в0- в0 „р, определяемого по формуле:

в0пр = агсБт-^ . (1.5)

Подстановка этой величины в (1.4) дает:

/тахпР ~ Ч**тах ^(2К°0+Ь)Ь ' (Ь6)

где Ь - высота нижней границы ионосфепы.

Рис. 4.

Мы получили выражение наибольшей возможной частоты в условиях земной радиолинии, использующей ионосферные волны. Эта частота лежит приблизительно на границе диапазонов КВ и УКВ; соответствующая длина

волны составляет около 10 м (в годы максимальной солнечной активности она уменьшается до на несколько метров).

Рассмотрим серию лучевых траекторий, соответствующих различным углам в0 при фиксированной частоте /. Кривые пронумерованы в порядке убывания угла в0. При этом монотонно возрастает величина /V*, а следовательно, и высота поворота луча. Что касается расстояния между начальной и конечной точками траектории (длина радиолинии), то оно сначала уменьшается (кривые 1, 2 и 3), а затем - при дальнейшем убывании угла во - увеличивается вплоть (кривые 4, 5) до прекращения перепдачи при выходе луча во внешнюю ионосферу (кривая 6). Отметим, что для радиолинии, использующей ионосферные радиоволны, существует некоторая минимально возможная длина; на меньших расстояниях передача не может быть реализована. Соответствующая круговая область называется «мертвой зоной» или «зоной молчания» (рис. 5.).

Рис. 5.

Здесь мы обсудили лишь простейший тип траектории луча в ионосфере. Подчеркнем, что рассмотрение электромагнитного волного процесса в ионосфере было в значительной степени идеализировано. Представление ионосферы как плоскослоистой среды в большинстве случаев

допустимо (при необходимости может быть построена сферическислоистая модель). Поглощение радиоволн будет учтено ниже.

• Дисперсия и поглощение радиоволн

Продолжая пока анализировать распространение радиоволн в ионосфере без учета поглощения, постоянное распространение обычной однородной ТЕМ-волны есть:

*=чМ?)2=чМ/)2 (1-7>

(ко = й)^£0ц0 = 2л/Л0). (1.8)

Интересно, что формально зависимость этого волного числа от чистоты оказывается такой же, как в случае быстрых Е- и Н- волн (например, в полном волноводе). При / < /р электромагнитный процесс утрачивает харатер бегущей волны: поле затухает по закону:

е-ш = к» = /с0л|(/р//)2 - 1 > 0. (1.9)

Совершенно такой же, как и для бысрых Е- и Н- волн без поглощения, оказывается также групповая скорость расстатриваемой волны

^гр = <1й>/(1к = Сд/1 - (/р/Л2 > /р; (1.10)

Здесь с = Поэтому также

Угр-Уф=С2. (1.11)

Ионосфера - среда заметно диспергирующая, причем действительный закон дисперсии существенно сложнее в сравнении с рассмотренной идеализацией.

Перейдем, далее, к учету поглощения ТЕМ-волны, распространяющейся в ионосферной плазме.

Е =1

Ь)р со2+и2

, 1апД=

vcoi

(1.12)

где а

= Ые2/£0т

При этом вещественная и мнимая части комплексного волного числа могут быть выражены в следующем виде:

к'=2 с

к" = -с

у2О>Р

С02(С02 + Р2-С1>р)2

N

2 V (о2+и2 )

-1+ 1 +

У2ь>р

a}2(cл)2+v 2-Ш1)2

(1.13)

(1.14)

Если tanД« 1, т. е. ионизированный газ может рассматриваться как несовершенный диэлектрик, то правомерно применение формул (1.12); при подстановке (1.13 и 1.14) это дает

с \ co2+v2 ) 2с

ут

Ш2+1?2

При а) » V, отсюда следует

(1.15)

с \ О)2 ) 2с

vшi

<о^(<о2-а)2)

(1.16)

Если положить также со » й)р, то выражение коэффициента затухания принимает вид

(Л = ——)

2 с со2 /2 4 8л2е0 тсу

(1.17)

Эта формула обычно употребляется для оценок затухания в диапазоне коротких волн. Согласно (1.17) величина к" обратно пропорциональна квадрату частоты и прямо пропорцциональна произведению г?ЛГ. Из рис.6 Видно, что хотя электронная концентрация быстро растет с высотой во внутренной ионосфере, частота соударений V с еще большей скоростью падает (это связано с уменьшением плотности среды); в результате произведение vN', а с ним и к", значительно уменьшается с высотой. Наиболее поглощающей является область Б.

/О2 Ю* ГО* Ш* ШШ

Рис. 6.

Обращаясь снова к формулам (1.13-1.14), замечаем, что при достаточно больших V коэффициент затухания к" с ростом V уменьшается. Пусть V2 » (й)2 - о;2) (и, тем более, V2 » ш2, тогда из (1.13-1.14) при отбрасывании малых величин находим

При небольших электронных концентрациях и низких частотах (о)р « V, (о «г?) согласно (1.12)

1ап Д= — . (1.19)

При а)р » шу плазма проявляет себя как проводник (1ап Д» 1). При этом по формулам находим

В заключение подчеткнем, что все полученные результаты основываются на элементарной теории столкновений электронов плазмы с тяжелыми частицами. Преодоление допущенных упрощений (в частности, учет скоростей электронов, выявление ролей ионов и молекул) требует уже существенного усложения теории.

1.2. Влияние ионосферны на измерение псевдодальностей по сигналам системы GPS

1.2.1. Способы определения псевдодальностей по сигналам системы GPS

При беззапросных измерениях в системе GPS прямое измерение

дальности невозможно, прежде всего, из-за расхождения шкал времени

систем и НАП. В этой системе применяется псевдодальномерный способ

измерения дальности, при котором измеряется величина, называемая

псевдодальностыо. Она отличается от дальности на величину расхождения

шкалы времени НАП относительно шкалы времени системы GPS [8]:

г = р + с-т, (1.21)

где р - геометрическая дальность до НКА; с - скорость распространения

радиоволн в вакууме; т - рассогласование шкалы времени НАП относительно

шкалы времени системы GPS. В системе GPS существует два способа

измерения псевдодальности. Первым способом является измерение

псевдодальности по дальномерному коду сигнала НКА, вторым способом

24

является измерение псевдодальности по фазе несущей частоты сигнала НКА. Псевдодальность, измеренная по дальномерному коду сигнала НКА в момент дискретного времени к, определяется выражением

гМ = Р/с(0 + с • т(0 + 8Гк(0 + Ek(i) (1.22)

к = 1Мк)

где rk(i) - псевдодальность, измеренная по дальномерному коду сигнала НКА; Р/с(0- дальность до НКА; т(i) - расхождение шкалы времени НАП относительно шкалы времени системы GPS; 5rfc(i) - систематическая погрешность по каждому НКА; £k(i) - случайная погрешность; к -порядковый номер НКА; п(к) - число наблюдаемых НКА.

Псевдодальность, измеренная по фазе несущей частоты сигнала НКА определяется выражением

<Pki0 = Р/с(0 — Nk • Л + с - т(0 + S^d0 + 6k(i) (1.23)

где (pk(i) - псевдодальность, измеренная по фазе несущей частоты сигнала НКА; Я - длина волны сигнала НКА; Nk - начальная неоднозначность фазовых измерений; 5<рк(0 — систематическая погрешность по каждому НКА; ek(i) — случайная погрешность.

Список литературы диссертационного исследования кандидат наук Фам Хоанг Лонг, 2014 год

СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННЫХ источников

1. Антонович, К. М. Использование спутниковых навигационных систем в геодезии. В 2 т. Монография // Г.М. Антонович; ГОУ ВПО «Сибирская государственная геодезическая академия». - М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. — Т. 2. - 360 с.

2. Афраймович, Э.Л. GPS-мониторинг верхней атмосферы Земли // Э. Л. Афраймович, Н. П. Перевалова. - Иркутск: ГУ НЦ PBX ВСНЦ СО РАМН, 2006. -480 с.

3. Голубев А.Н. Глобальные спутниковые навигационно-геодезические системы. Основные принципы работы и устройства. - М., изд. МИИГАиК, 2003.

4. Гребенников А. В. Исследование методов и разработка аппаратуры приема и обработки сигналов спутниковых радиотехнических систем // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук. - Красноярск, ТУ,2000. -97с.

5. Грудинская Г.П. Распространение радиоволн// Г. П. Грудинская. -М.:Высшая школа, 1975. - 280 с.

6. Захаренкова И.Е. Использование измерений сигналов системы GPS для обнаружения ионосферных предвестников землетрясений//Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук,- Калининград, 2007. -146 с.

7. Ишин А. Б. Исследование влияния широкополосного солнечного радиоизлучения и ионосферных неоднородностей на распространение и прием сигналов GPS // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, - Иркутск, 2010. - 107 с.

8. Казанцев М. Ю. Уменьшение погрешности навигационных измерений в одночастотной аппаратуре потребителя систем ГЛОНАСС и GPS за счет учета влияния ионосферы // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, КГТУ, - Красноярск, 2003. - 150 с.

9. Кожарин М.А., Куницын В.Е. Детектирование и исследование временного развития крупных ионосферных структур с помощью данных навигационных спутниковых систем GPS/ГЛОНАСС // Диссертация на соискание ученой степени кандидата технических наук, -Москва, 2005. — 129 с.

10. Липкин И. А. Спутниковые навигационные системы. - М.: Вузовская книга, 2001.-288 с.

11. Садовская, Т.С. Построение модели изменения межчастотных отклонений GPS-приемников/ Т. С. Садовская // 3-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития» МРФ-2008. Сборник научных трудов. Том I. Международная конференция «Современные и перспективные системы радиолокации, радиоастрономии и спутниковой навигации». 4.1. - Харьков: АНПРЭ, ХНУРЭ, 2008. - С.367-373.

12. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации. - М.: Эко-Трендз, 2000. -268 с.

13. 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.

14. 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.

15. Arikan, F., Н. Nayir, U. Sezen, and О. Arikan (2008). Estimation of single station interfrequency receiver bias using GPS-TEC, Radio Sci., 43, RS4004, 2008 doi:10.1029/2007RS003785.

http://www.ee.hacettepe.edu.tr/?link=200201&sublink=409&lang=e

16. Chang Ki Hong. Efficient Differental Code Bias and Ionosphere Modeling and Their Impact on The Network-Based GPS Positioning // Ph. D. dissertation, The Ohio State University, USA, 2007. -221 p.

https://etd.ohiolink.edu/ap/1070::NQ:10:P10 ACCESSION NUM:osu 1190083730

17. Chang Qing, Zhang Donghe, Xiao Zuo, Zang Qishan. The Estimation Method of GPS instrumetal Biases, Volume 46, Number 3 (2001), pp. 204-207. http://link.springer.com/article/10.1007%2FBF03187167

18. C.M.Ho, B.D.Wilson, A.J.Mannucci, U.J.Lindqwister, and D.N.Yuan. A Comparative Study Of Ionospheric TEC Measurements and Models With TOPEX //

Radio Science. 1997. V.32. N.4. PP. 1499-1512. http://onlinelibrarv.wilev.com/doi/10.1029/97RS0058Q/pdf

19. Ciraolo, L., F. Azpilicueta, C. Brunini, A. Meza, and S. M. Radicella. Calibration errors on experimental slant total electron content (TEC) determined with GPS// Journal of Geodesy. 2007. V.81. Issue 2. PP.111-120. http://link.springer.eom/article/l0.1007%2Fs00190-006-0093-1

20. Conley R., Lavrakas J. W. The world after Selective Availability // Proceedings of ION GPS-99. The Satellite Division of the Institute of Navigation 12th International Technical Meeting. - Nashville, Tennessee, September 14-17, 1999. -P. 1353-1361. http://link.springer.com/content/pdf/bbm%3A978-3-211-73017-l%2Fl.pdf

21. Global Positioning System Standard Positioning Service Performance Standard,U.S. Department of Defense, October, 2008. - 160 p. http://www.gps.gov/technical/ps/2008-SPS-performance-standard.pdf

22. Hofinann-Wellenhof B., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System.Theory and Practice. Springer-Verlag Wien New York, 1994. - 356 p.

23. Komjathy.A, Langley R.B. The Effect of Shell Height on High Precision Ionospheric Modelling Using GPS // Proceedings of the IGS Workshop in Silver Spring, Maryland, USA, 19-21 March, 1996.PP . 193-203. http://gauss.gge.unb.ca/grads/attila/papers/igs96/igs96.htm

24. Komjathy.A, "Global Ionospheric Total Electron Content Mapping Using the Global Positioning System", PhD dissertation, Department of Geodesy and

Geomatics Engineering Technical Report No. 188, University of New Brunswick, Fredericton,New Brunswick, Canada , 1997. http://www2.unb.ca/gge/Pubs/TR188.pdf

25. Lanyi, G. E., Roth ,T. A comparison of mapped and measured total ionospheric electron content using global positioning system and beacon satellite observations// Radio Science. 1988. V.23.Issue.4.PP. 483-492. http://onlinelibrarv.wilev.com/doi/10.1029/RS023i004pQ0483/abstract

26. MA Guanyi and Maruyama Takashi. Derivation of TEC and Estimation of instrumental bias from Geonet in Japan// Journal of the communication research laboratory. Tokyo, Japan. December 2002. V. 49. N.4. PP. 2083 - 2093.

http://www.ann-geophvs.net/21/2083/2003/angeo-21-2083-2003.pdf

27. Mannucci A.J., Ho CM., Lindqwister U.J. A global mapping technique for GPS-drived ionospheric TEC measurements // Radio Science. 1998. V. 33, N.8. PP. 565-582.

http://onlinelibrarv.wilev.eom/doi/l 0.1029/97RS02707/abstract

28. NAVSTAR GPS User Equipment Introduction (Public Release Version) Septemberl996. - 215 p.

http://www.navcen.uscg.gov/pubs/gps/gpsuser/gpsuser.pdf

29. Schaer S. Mapping and Predicting the Earth's Ionosphere Using the Global Positioning System // Ph. D. dissertation, Astronomical Institute of the University

of Bern, Switzeriand, 1999. - 208 p.

30. Wilson B.D., Mannucci A.J., Edwards CD. Subdaily northern hemisphere

140

maps using the IGS GPS network// Radio Science. 1995. V. 30. PP. 639-648. http://trs-new.ipl.nasa.gOv/dspace/bitstream/2014/29294/l/95-0209.pdf

31. Y. Memarzadeh. Ionospheric modeling for precise GNSS applications, Thesis, Delft University of Technology, 2009.

http://gnss 1 .tudelft.nl/pub/varia/PhDthesisYahyaMemarzadeh.pdf

32. Zhibo Wen. Estimation of Code and Phase Biases in Satellite Navigation // Master Thesis, Institute for Communications and Navigation Technische Universit'at M'unchen, 2010.

http://www.nav.ei.tum.de/fileadmin/w00bkq/layout/thesis2010wen.pdf

33. http://www.nrcan-rncat.gc.ca

34. http://www.cx.unibe.ch

35. http://www.jpl.nasa.gov

36. http://www.upc.es/