авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ РОССИЙСКАЯ БИБЛИОТЕКА - WWW.DISLIB.RU

АВТОРЕФЕРАТЫ, ДИССЕРТАЦИИ, МОНОГРАФИИ, НАУЧНЫЕ СТАТЬИ, КНИГИ

 
<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ


Pages:     | 1 | 2 || 4 |

Навигационное обеспечение воздушных судов гражданской авиации в условиях возмущенной ионосферы.

-- [ Страница 3 ] --

Здесь –вектор поляризации радиоволны, ­­– диэлектрическая проницаемость плазмы для электромагнитных волн, Еt - напряженность электрического поля радиоволны. Первое слагаемое в (18) описывает затухание радиоволны за счет столкновений на заряженных частицах ионосферной плазмы, второе слагаемое определяет вклад процесса трансформации поперечной радиоволны в продольные ионно-звуковые волны и третье слагаемое описывает комбинационное рассеяние радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях.

Можно показать, что второе слагаемое в (18) на высотах h300 км мало по сравнению с затуханием за счет столкновений. Оценим вклад комбинационного рассеяния, используя условия пространственно - временного синхронизма

, (19)

из которых следует, что для случая обратного рассеяния справедливо соотношение: и радиоволны диапазонов L1 и L2 могут рассеиваться ионно-звуковыми колебаниями с см-1. Так как , то максимум в распределении спектра ионно-звуковых волн при попадает как раз на этот интервал волновых чисел, как показано на рис.7.

Опуская промежуточные выкладки, получим оценку эффективной частоты комбинационного рассеяния ВЧ радиоволны на ионно-звуковых флуктуациях:

. (20)

Для высот максимума F-слоя ионосферы при максимальном значении спектра в режиме его насыщения легко получить оценку частоты рассеяния радиоволн диапазонов L1 и L2 () на фононах ионного звука: , что сравнимо со значениями частот за счет столкновений: и . Выше максимума F-слоя эти частоты быстро уменьшаются, тогда как рассеяние на ионном звуке от высоты практически не зависит. Таким образом, в области существования ионно-звуковой турбулентности на высотах h~200500 км происходит изменение направления волнового вектора сигнала, излучаемого НС. Так как размеры фонона (20) много больше длин волн диапазонов L1 и L2, то рассеяние сигналов ССН происходит наиболее эффективно на большие углы.

Оценим величину затухания радиоволн диапазонов L1 и L2 при их комбинационном рассеянии на ионно-звуковых флуктуациях. Используя стандартное выражение для коэффициента затухания, получим:

, (21)

где – групповой путь пакета ионно-звуковых волн, который практически не зависит от параметров ионосферы. Значения Г >10, обеспечивающие значительное ослабление амплитуды сигнала радиоволны, достигаются уже при , тогда как высотный размер области ионно-звуковой неустойчивости . Таким образом, в области существования ионно-звуковой турбулентности происходит нарушение функционирования ССН, следствием чего является высокая вероятность сбоев в навигационном обеспечении ВС ГА, использующих одночастотные приемники ССН в качестве основного средства навигации.

В пятой главе диссертационной работы представлены результаты теоретических и экспериментальных исследований применения одночастотных приемников GPS для навигационного обеспечения ВС ГА.

Воздействие среды на распространение сигналов НС принципиально неустранимо, однако его влияние на ошибки позиционирования ССН может быть учтено и в той или иной степени скорректировано применением более точных моделей среды (особенно ионосферных), либо более тщательным изучением механизмов воздействия ОКП на распространение сигналов высокой частоты.

Принцип работы ССН дает возможность корректировки её погрешностей, исходя из анализа параметров сигналов НС, прошедших ионосферу. Отсюда следует возможность создания методики определения ионосферной погрешности ССН. Решение этой задачи имеет практическую важность не только для навигационного обеспечения ВС ГА, но и для авиационных систем радиосвязи и радиолокации, использующих ионосферные радиоканалы.

Существующие методики определения ионосферной погрешности ССН используют в качестве аппаратного обеспечения двухчастотное ПО. В данной главе разработана методика определения ионосферных погрешностей ССН с применением одночастотного ПО. Уточним, что речь идет о погрешностях, обусловленных нерегулярными процессами в ОКП, так как регулярные вариации погрешностей хорошо изучены. Сформулируем требования к данной методике:

  1. Возможность реализации высокого ( 1 сек.) разрешения по времени при получении и обработке данных;
  2. Возможность мобильного и оперативного изменения геометрии измерительных пунктов при многопозиционных синхронных измерениях;
  3. Обеспечение необходимой точности определения ионосферной погрешности;
  4. Существенное снижение стоимости измерительных пунктов в сравнении с использованием двухчастотного ПО.

Основной функцией ПО является обработка его программным обеспечением первичных данных (псевдодальности и фазы несущей), содержащихся в сигналах НС. Первичные данные содержатся в RINEX-файлах, доступных для компьютерной обработки. Для определения координат ПО решает навигационную задачу, используя значения псевдодальностей (или фазы несущей) из наблюдательных RINEX-файлов и эфемериды НС из навигационных RINEX-файлов. С радиофизической точки зрения фаза несущей (точнее – набег фазы) есть фазовый путь сигнала с точностью до аддитивной константы, а псевдодальность – групповой путь сигнала, с учетом сдвига часов ПО относительно временной шкалы НС. Отсюда ясно, что в «очищенных» от сдвига часов первичных данных присутствует ионосферная и тропосферная погрешности. Ионосферная погрешность пропорциональна ПЭС вдоль траектории распространения сигнала, однако далее будет использоваться её нормировка в единицах длины, соответствующей разнице между «очищенной» от сдвига часов ПО псевдодальностью и реальной геометрической (истинной) дальностью.

С целью отработки методик измерений на территории Иркутского филиала МГТУ ГА были организованы два наблюдательных пункта с вынесенными на крыши учебных корпусов специализированными антеннами, для которых была официально выполнена геодезическая привязка. В соответствии с отчетом, представленным ООО «Землеустроитель», гарантированная точность координат пунктов в системе СК-42 составляет 0.1 метра. Для преобразования этих координат в систему WGS-84, в которой работает ССН GPS, использовалась специально разработанная программа. В качестве аппаратного обеспечения были выбраны приемники GARMIN GPS MAP 295, адаптированный для использования в качестве бортового оборудования ВС малой авиации и более дешевый GARMIN GPS V. Программное обеспечение осуществлялось комплексом ASYNC/ GAR2RNX, состоящим из двух частей: программы ASYNC _1_23.ЕХЕ, которая в режиме реального времени считывает с приемника временной ход различных параметров и сохраняет их в бинарном файле и программы GAR2RNX_1_48.exe, которая в режиме постобработки генерирует из бинарного файла RINEX-файл, содержащий ежесекундные отсчеты псевдодальности и фазы несущей с точностью до постоянного слагаемого. Навигационная задача решалась как с помощью программы MathCAD, так и стандартного пакета MATHEMATICA 5.

Считая псевдодальность групповым Lg, а набег фазы, умноженный на длину волны – фазовым Lф путем сигнала НС, определим их выражениями:

. (22)

Здесь АВ – траектория распространения сигнала от приемника до спутника, – показатель преломления среды в текущей точке траектории, для которого в плазменной среде на высоких частотах можно использовать выражение:

. (23)

Учитывая, что , (22) можно представить в виде:

. (24)

Здесь – геометрический путь сигнала, а – малая поправка к нему, равная ионосферной погрешности (тропосферную погрешность считаем малой). Из (24) следует вывод о том, что из данных «идеального приемника», определяющего и , можно установить истинное расстояние между приемником и спутником и ионосферную погрешность .

Как показали эксперименты, для реального одночастотного ПО измерения разности вариаций фазового пути и псевдодальности малопродуктивны, так как они содержат интенсивный аппаратный шум, маскирующий истинные вариации, связанные с ионосферной погрешностью. Кроме того, вариации и , измеряются на фоне очень сильного регулярного тренда, связанного с уходом часов приемника относительно системного времени GPS. Поэтому для определения ионосферной погрешности были использованы измерения относительного фазового пути, так как разность фаз сигналов от двух НС, принятых одним приемником, сдвига часов приемника уже не содержит. Для НС с номером k фазовый путь Fk можно представить в виде:

, (25)

где Rk – истинное расстояние до НС, Ik – ионосферная погрешность, пропорциональная наклонному ПЭС вдоль траектории радиолуча, k – тропосферная погрешность, которая на данном этапе исследований не учитывается, Ck – постоянная для данного сеанса измерений константа.

Измеряя разность фазовых путей для спутников k и j, и зная истинные расстояния до них, можно найти величину:

, (26)

причем С можно определить из начального условия . В текущий момент времени t величина представляет собой наклонную разностную ионосферную погрешность (РИП) для двух НС с номерами k и j.

Исходя из величины общей погрешности ССН, возможны наблюдения РИП в десятки метров в период с восхода до захода Солнца и существенно меньшие значения в ночные часы. Во временном ходе РИП можно ожидать сильный регулярный тренд и на его фоне более слабые короткопериодические флуктуации.

Из-за наклонности траектории сигнала НС, необходим пересчет наклонной РИП в вертикальную. Для этого введем понятие подионосферной точки как проекцию на поверхность Земли точки пересечения траекторией радиолуча “НС–ПО” высоты максимума слоя F2 ионосферы, h300 км. Очевидно, что наклонную РИП следует привязывать к паре подионосферных точек, которые для видимых НС могут быть разнесены на дальность до 1000 км и находиться в существенно разных условиях относительно величины вертикального ПЭС. Вопрос, к какой подионосферной точке относятся флуктуации РИП, не имеет особого значения, так как для практических целей навигации интересны спектры таких вариаций безотносительно того, в какой точке они появляются.

Эксперименты по определению ионосферных погрешностей ССН проводилось в период с 2006г. по 2008г. в г.Иркутске с использованием одночастотного ПО GARMIN GPS MAP 295 и GARMIN GPS V. Истинное расстояние до НС Rk определялось в процессе пост-обработки из лазерных измерений координат НС по данным международной службы лазерных дальномерных измерений.

 На рис. 8 представлен временной ход РИП,-132

На рис. 8 представлен временной ход РИП, содержащий в себе регулярный тренд, типичный для большей части наблюдений. Виден характерный временной ход в ожидаемых числовых значениях и без явно выраженных флуктуаций. Подобная картина наблюдается не всегда. Событие, показанное на рис.9, имело место для измерений с участием НС №2–№13. Отчетливо видно уединенное возмущение РИП длительностью около 5 минут и величиной около 2 метров. Важным является то, что аналогичная ситуация проявляется только в измерениях с участием НС №13. Для иллюстрации на рис.10 приведен временной ход РИП для НС №4–№13.

 Временной ход разностной-133

Рис.9. Временной ход разностной ионосферной погрешности для НС №2–№13

с уединенным возмущением (17.3020.00 LT, 21.12.06г.).

Рис.10. Временной ход разностной ионосферной погрешности для НС №4–№13

с уединенным возмущением (17.3020.00 LT, 21.12.06г.).

Таким образом, представленная методика позволяет с уверенностью определять вариации ионосферной погрешности ССН размером в единицы метров, обусловленные уединенными возмущениями ПЭС.

Рассмотрим возможность определения с помощью представленной методики короткопериодических возмущений ПЭС. На рис.11а приведен временной ход РИП для НС №6–№29 со слабыми флуктуациями на фоне регулярного тренда. Для выделения флуктуаций была проведена процедура линейного сглаживания по пяти точкам. Удаление тренда выполнялось путем вычитания из исходных данных сглаженных. В результате получены флуктуации РИП «в чистом виде», которые показаны на рис.11б. Видно, что флуктуации РИП имеют явно выраженную периодическую структуру с периодом 20 мин., что согласуется со спектром гравитационных волн в ионосфере, обнаруженных экспериментально.

Для доказательства того, что представленные выше результаты не являются следствием аппаратных сбоев ПО, были проведены синхронные измерения РИП

 Временной ход РИП для НС №6–№29 с-135

 Временной ход РИП для НС №6–№29 с-136

Рис.11. Временной ход РИП для НС №6–№29 с короткопериодическими флуктуациями (07.3009.40 LT, 29.04.07г.): а – до удаления тренда; б – после удаления тренда.

на однотипных приемниках GARMIN GPS V в двух разнесенных на 4 километра пунктах с геодезическими координатами:

Пункт №1:, , ;

Пункт №2:, , .

Эксперимент проводился 4.04.08г. в период 18.3021.16 LT. После получения значений РИП (каждые 30 сек.) с удаленным регулярным трендом (рис.12б), был выполнен расчет коэффициента корреляции (рис.13) РИП в пунктах №1 и №2 и произведено преобразование Фурье РИП на различных временных отрезках для получения их спектра, представленного на рис.14.

Рис.12а. Синхронизированные по времени измерения РИП, выполненные в пунктах №1,2 для НС №5-№14 без удаления тренда (18.3021.16 LT, 4.04.08г.).

Рис.12б. Синхронизированные по времени измерения флуктуаций РИП, выполненные в пунктах №1,2 для НС №5-№14 после удаления тренда (18.3021.16 LT, 4.04.08г.).

 Коэффициент корреляции РИП для-144

Рис.13. Коэффициент корреляции РИП для пунктов

№1,2 и НС №5 - №14 (18.3021.16 LT, 4.04.08г.).

Результаты показывают, что:

  1. Измеренные в ходе экспериментов величины являются ионосферными погрешностями, а не следствием аппаратных сбоев ПО;
  2. Процессы, контролирующие ПЭС в подионосферных точках, соответствующих координатам пунктов №1 и №2, синфазны с коэффициентом корреляции, близким к единице, следовательно, имеет место горизонтальное перемещение флуктуаций ПЭС со скоростью не менее 500 км/ч;
  3. АЧХ сигнала имеет основную гармонику с частотой 4 мГц, что согласуется с временным ходом коэффициента корреляции и означает наличие в ионосфере ранее неизвестных низкочастотных периодических процессов.

Таким образом, представленная методика определения ионосферной погрешности ССН позволяет с высокой точностью и малыми финансовыми затратами производить мониторинг навигационного поля ССН, что ведет к повышению эффективности навигационного обеспечения ВС в одночастотном режиме.

Далее в пятой главе проведено экспериментальное исследование качества приема сигналов ССН одночастотными приемниками GPS, имитирующее их размещение на борту ВС, с использованием уже апробированного аппаратно-программного обеспечения и метода разнесенного приема.

Очевидно, что степень коррелированности атмосферных погрешностей для приёмников А и Б будет уменьшаться с ростом расстояния между фазовыми центрами их антенн. В то же время при малых расстояниях между приемниками имеется взаимное влияние антенн. Отсюда следует, что для практической навигации представляет интерес определение оптимального (с точки зрения качества приема) пространственного разноса антенн двух навигационных приёмников.

В ходе первого эксперимента синхронно измерялся уровень сигнала от видимых НС тремя одночастотными приемниками GARMIN GPS-V, установленных на расстоянии 0, 5 и 50 друг от друга, где 19.8см – длина волны сигнала в диапазоне L1. В процессе пост-обработки результатов измерений с помощью программного комплекса ASYNC/GAR2RNX из сгенерированного RINEX-файла извлекалась информация о качестве приема сигнала по десятибалльной шкале градации уровня сигнала. Время проведения сеанса – 03.04.07, в 15.00 LT, длительность сеанса – 10 минут.

Результаты приёма сигналов на разнесённые приемники №№1,2 и 3 для расстояний между фазовыми центрами их антенн 5 и 50 приведены в таблице.



Pages:     | 1 | 2 || 4 |
 





 
© 2013 www.dislib.ru - «Авторефераты диссертаций - бесплатно»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.