Анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы работающей в дифференциальном режиме (стр. 1 из 21)

Введение

Темой работы является анализ погрешностей спутниковой радионавигационной системы (СРНС), работающей в дифференциальном режиме. И включает в себя оценку влияния расположения подвижного пункта в условиях городской застройки, а именно выяснение влияния процессов затенения и отражения навигационных сигналов на основе экспериментальных данных.

СРНС предназначены для всепогодного, пассивного, глобального, высокоточного навигационно-временного обеспечения всевозможных потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближайшем космическом пространстве. В моем конкретном случае, использовались два приемника AshtechSCA-12S, работающие с навигационной системой глобального позиционирования GPS.

Точность СРНС ухудшают ряд факторов, возникающих из-за влияния атмосферных явлений и солнечной радиации на параметры спутниковых сигналов, ухода часов спутников и т.п. Такие ошибки можно значительно уменьшить, применив дифференциальный режим работы с использованием стационарного навигационного приёмника, установленного в точке с заранее определёнными координатами. Такой приёмник называют базовым. С помощью этого приёмника можно вычислять корректирующие значения погрешностей, возникающих в дальномерных спутниковых сигналах.

Возможности аппаратуры в лаборатории спутниковой радионавигации, где и делается эта работа, позволяют принимать сигнал одновременно на две антенны двумя приемниками. То есть для возможны следующие основные варианты получения экспериментальных данных:

- простой прием и усреднение (в течение длительного времени);

- прием и дифференциальное уточнение;

- прием и дифференциальное уточнение с фазовой коррекцией.

Данная работа делается с целью выяснения того, причины каких именно погрешностей вносят наибольший вклад в ухудшение точности определения местоположения в условиях городской застройки.

Состав системы

Система «НАВСТАР» состоит из трех сегментов:

· космического сегмента;

· сегмента управления (CS - control sеgшеnt);

· сегмента потребителей.

Космический сегмент образован орбитальной группировкой, состоящей из 24 основных и 3 резервных навигационных космических аппаратов Block II (далее просто НКА). НКА распределены по шести плоскостям, которые разнесены по долготе на 60˚. В каждой плоскости находится четыре, и, возможно, один резервный НКА,которые двигаются по круговым орбитам с наклонением 55˚ и с полуосью около 26,5 тыс.км. Период обращения НКА составляет 12 часов.

Сегмент управления состоит из:

· Основной станции контроля и управления;

· Резервной станция контроля и управления;

· Четырех наземных антенн слежения;

· Шести наземных станций слежения.

Основная станция контроля и управления расположена на авиабазе Шривер, шт. Колорадо. Станции слежения расположены вдоль экватора, что обеспечивает благоприятные условия для наблюдения за НКА.

С помощью наземного сегмента управления осуществляются высокоточные измерения параметров орбит НКА, которые собираются и обрабатываются. Результатом обработки является информация об орбите, частотно временные поправки, ионосферные поправки. Полученная информация передается на борт НКА для последующей ретрансляции потребителю. Частота обновления ретрансляционной информации приблизительно раз в два часа.

Сегмент пользователей «НАВСТАР» составляют приемники GPS и сообщество пользователей системы. Приемники GPS преобразовывают сигналы спутников в оценки местоположения, скорости и времени. Приемники GPS используются для навигации, позиционирования, коррекции времени и других целей.

Основная задача системы «НАВСТАР» - навигация в трехмерном пространстве. Существуют навигационные приемники для летательных аппаратов, кораблей, сухопутных транспортных средств и для индивидуального использования.

Передаваемые каждым НКА системы «НАВСТАР» в составе оперативной информации эфемериды описывают положение фазового центра передающей антенны данного НКА в связанной с Землей геоцентрической системе координат WGS-84, определяемой следующим образом:

· начало координат расположено в центре масс Земли;

· ОСЬ Z направлена на Условный полюс Земли, как определено в рекомендации Международной службы вращения Земли (IERS);

· ОСЬ Х направлена в точку пересечения плоскости экватора и нулевого меридиана, определенного Международным бюро времени (BIH);

· ОСЬ Yдополняет геоцентрическую прямоугольную систему координат до правой.

Геодезические координаты точки в системе координат WGS-84 относятся к эллипсоиду, значения большой полуоси и полярного сжатия которого даны в таблице 1.5.

Геодезическая широта В точки М определяется как угол между нормалью к поверхности эллипсоида и плоскостью экватора.

Геодезическая долгота L точки М определяется как угол между плоскостью нулевого меридиана и плоскостью меридиана, проходящего через точку М. Положительное направление счета долгот - от нулевого меридиана к востоку.

Геодезическая высота Н определяется как расстояние по нормали от поверхности эллипсоида до точки М.

Фундаментальные геодезические константы и основные параметры общеземного эллипсоида, принятые в системе координат WGS-84 приведены в таблице 1.1.

Таблица 1.1 - Геодезические константы и параметры общеземного эллипсоида WGS-84

Угловая скорость вращения Земли	7.292115*10-5 радиан/с
Геоцентрическая константа гравитационного поля Земли с учетом атмосферы	398 600.5 км3/с2
Большая полуось эллипсоида	6 378 137 м
Коэффициент сжатия эллипсоида	1/298.257 223 563
Нормированный уровень коэффициента второй зональной гармоники потенциала (C20)	-484. 16685*10-6

1. Спутниковые радионавигационные системы

1.1 Принцип построения

Успехи ракетной техники, приведшие к созданию мощных носителей, способных обеспечить вывод на орбиты вокруг Земли искусственных спутников Земли (ИСЗ), привели к идее использовать их для целей навигации кораблей. Суть идеи заключается в следующем: если источник радиоизлучения (т.е. радиомаяк) поместить на ИСЗ и знать координаты его в любой момент времени, то навигационную задачу можно решить так же, как и в случае маяков наземного базирования, если обеспечить измерение геометрических величин относительно маяков с привязкой к той же шкале времени [3].

Для реализации идеи необходимо было решить следующие проблемы:

· обеспечить определение текущих координат и получение эфемерид ИСЗ, которые позволяют рассчитывать координаты в любой момент времени вперед;

· обеспечить доведение координат ИСЗ (эфемерид) до каждого потенциального потребителя навигационной информации;

· обеспечить доведение до всех потребителей шкалы единого времени и синхронизацию работы всех включенных в систему ИСЗ.

Прежде чем рассмотреть варианты решения перечисленных проблем, остановимся на некоторых положениях космической баллистики для оценки характеристик траекторий движения ИСЗ.

Для длительного существования ИСЗ как небесного тела ему необходимо придать скорость, превышающую так называемую первую космическую скорость. Эта скорость равна, примерно, 7.8 км/с (при малых высотах спутника) и обеспечивает движение по круговой орбите; при увеличении скорости орбита становится эллиптической, причем эксцентриситет эллипса растет с ростом скорости. Величина первой космической скорости уменьшается при возрастании высоты ИСЗ над земной поверхностью, что приводит к увеличению времени обращения спутника вокруг Земли. Для круговой орбиты высотой Н период обращения Т характеризуется следующими выборочными значениями:

Н = 250 км, Т = 89 мин; H = 1000 км, Т = 96 мин;

Н = 20240 км, Т = 12 час; Н = 35870 км, Т = 24 час.

1.2 Описание движения спутников

Координаты и составляющие вектора скорости спутников меняются очень быстро. Поэтому сообщения о параметрах движения спутников содержат сведения не об их координатах, а информацию о параметрах некоторой модели, аппроксимирующей траекторию движения ИСЗ на достаточно большом интервале времени (примерно 1 час). Параметры аппроксимирующей модели меняются достаточно медленно, и их можно считать постоянными на интервале аппроксимации. Состав параметров аппроксимирующей модели определяет и состав навигационных сообщений спутников. Поэтому модель движения, принимаемая в системе для расчета траекторий движения ИСЗ, является одним из основных понятий, необходимых для изложения принципов ее функционирования [3].

Самой простой моделью движения ИСЗ является кеплеровская модель. В этой модели учитывается единственная сила притяжения, образуемая центральным полем тяготения Земли. Движение ИСЗ, задаваемое кеплеровской моделью, происходит в фиксированной плоскости. Текущие полярные координаты ИСЗ в этой плоскости R(t) и

связаны между собой и с параметрами кеплеровской траектории р и е следующим образом:

(1.1)

где R(t) – расстояние;

- фокальный параметр;

е – эксцентриситет;

- угол, называемый истинная аномалия.

Текущие координаты R(t) и

образуют вектор называемый радиус-вектор ИСЗ.

Для определения положения ИСЗ в каждый момент времени необходимо найти связь между истинной аномалией

и временем t. В кеплеровской модели такая связь задается уравнением Кеплера, которое для эллиптической орбиты имеет вид: