Строительные исследования
страница - 0
Определение электронного содержания ионосферы Земли по данным дальномерных и фазовых измерений
Марчук В.Н. (marchuk@ire.rssi.ru), Смирнов В.М. (vsmirnov@ire.rssi.ru) Институт радиотехники и электроники РАН
Рассмотрено применение фазовых измерений навигационных спутниковых сигналов для определения параметров ионосферы Земли. На основе численного моделирования с учетом реальных данных фазовых измерений определен оптимальный класс функций, для которого обратная задача радиопросвечивания является устойчивой по отношению к погрешности определения исходных данных измерений. Показано, что погрешность определения значений максимума ионосферы на основе фазовых измерений при оптимальной априорной информации не превышает 0,01 NU (1NU=106 эл/см ) на всем интервале наблюдений.
ВВЕДЕНИЕ
При проведении измерений в навигационных спутниковых системах типа "Навстар (GPS)" (США) и "Глонасс" (Россия) могут использоваться как несущие частоты, так и их коды модуляции. Из характера проведения измерений - кодовые измерения или измерения по несущей - уже следует, что измерения по несущей обладают более высокой точностью в силу того, что длительность сигнала с кодовой последовательностью больше длительности сигнала на несущей частоте.
Все величины, применяемые в навигационных системах, являются линейными величинами, т.е. представляют собой данные типа дальностей. Особенностью измеряемых величин является то, что их получение происходит в условиях неинвариантности во времени частот излучаемых сигналов и инвариантности фаз этих сигналов [1]. Основным принципом измерения этих величин является сравнение параметров переданного сигнала с аналогичными параметрами опорного.
1. КОДОВЫЕ ДАЛЬНОМЕРНЫЕ ИЗМЕРЕНИЯ И ИЗМЕРЕНИЯ ПО ФАЗЕ
НЕСУЩЕЙ
В настоящее время в качестве измеряемых величин используются как правило кодовые измерения дальности (псевдодальности) и измерения фазы несущей. При
измерении псевдодальности используется сравнение двух сигналов, один из которых принятый спутниковый сигнал, второй - копия, генерированная приемником. С учетом ошибок, неизбежных при любых радиотехнических измерениях, измеряемая псевдодальность при выполнении навигационных измерений может быть представлена в следующем виде:
R(f,t)= R0(t)+ c(Ts - TR)+ Rt (f,t)+ RT (t)+8,
где R(f, t) - измеренная на частоте f псевдодальность от приемника до спутника в
момент времени t; R0 (() - геометрическое расстояние между приемником и спутником;
(TS - TR) - разность показаний часов приемника относительно универсальной шкалы
времени; Rj (f, t) и RT (t) - изменения псевдодальности за счет влияния ионосферы и
тропосферы, соответственно; c - скорость распространения сигнала; 8 - прочие ошибки измерений, например, многолучевость распространения, шумы приемника.
Точность измеренных псевдодальностей зависит от отношения сигнал/шум и частоты измеряемого сигнала - частоты несущей или тактовой частоты кодовой последовательности. Поэтому инструментальная точность измерения псевдодальностей по несущей Ly выше, чем по несущей *, а по «точному» Р-коду выше, чем по «грубому» С/А-коду [2]. Так, например, среднеквадратическая инструментальная точность измерения псевдодальности приемника ROGUE составляет менее 10 см [3].
Фазовые измерения несущей имеют более высокую разрешающую способность по сравнению с другими видами измерений, что объясняется меньшей длиной волны этого сигнала относительно кодового сигнала. Поэтому измерения по фазе несущей являются основными измеряемыми величинами для решения задач, требующих высокую точность измерений.
Концепция фазовых измерений заключается в следующем [1]. Амплитуда излучаемого сигнала на несущей частоте fS в момент времени t выражается в виде:
es = Eo cos(2nfst + (Ps (t0 )), где Ps (to) - начальная фаза сигнала, которая может быть определена только косвенно. Учитывая время At распространения сигнала в среде, фазу принятого сигнала в момент времени tr = t + At в связи со свойством ее инвариантности в процессе распространения можно записать в следующем виде:
*В системе GPS для всех спутников номинальные частоты одинаковые: Ly =1575,42 МГц, L2 =1227,60 МГц.
В системе Глонасс L1 = (1602 + 0,5625 • k) МГц, L2 = (1246 + 0,4375 • k) МГц, где k -номер частотной литеры для каждого спутника.
Ф L -- (R - RIL + RO L + N1A1 + ШФ L + ШФ L ),
1 Я11111
Ф L -- (R - RIL + RO L + N2X2 + RMO L + RNO L ).
M Я2
Здесь R - псевдодальность, включающая в себя тропосферную задержку, погрешности, обусловленные рассинхронизацией бортовых часов спутника и приемника, прочие частотно- независимые погрешности, общие для всех четырех уравнений наблюдения; RIj - изменения псевдодальности за счет влияния ионосферы, причем
(p{tr ) = (2nfs (tr-At )+<pR (t0)), где (Pr (to ) - неизвестная начальная фаза, tr - время, фиксируемое приемником.
В приемной аппаратуре происходит сравнение входного сигнала с его копией, генерируемой в приемнике:cos(2nfrt + pr (to)). Комбинируя фазы сигналов,
получают значения измерений биения фазы несущей в момент времени tr :
p(tr ) - 2n(fS - fr >r -2nfSAt + pS (t0)-9r (t0)> Из этого выражения видно, что pss (to) и pr (to) остаются постоянными
неизвестными величинами. Разность этих начальных фаз также остается постоянной и
называется неоднозначностью биения фаз, N - ps (to ) - Pr (to ).
Учитывая все известные систематические ошибки и, что At - Rj (t )/c,
окончательное выражение для биения фазы несущей может быть записано в следующем
виде:
p(tr)- -2n[fs (tr )[RL (t - T)+ RIL + RTL ]c + fTs (tr)- fTr (tr)}+ N, где f - номинальная частота несущей для диапазонов lx и l2 . В современных геодезических приемниках максимальная точность измерения фазы несущей составляет в линейной мере o,1 мм [4].
2. ПОЛНОЕ ЭЛЕКТРОННОЕ СОДЕРЖАНИЕ ИОНОСФЕРЫ Для определения полной интегральной концентрации ионосферы используются как псевдодальномерные измерения (кодовые измерения дальности), так и измерения по фазе несущей. С учетом возможных ошибок измерений псевдодальномерные и фазовые измерения могут быть представлены в следующем виде: псевдодальномерные измерения по P - или С/A -коду:
I b1MMMM(1)
PRL - R + RIL + RTL + RML + RNL
MMMь2M
фазовые измерения (измерения по фазе несущей):
содержание:
[стр.Введение] [стр.1] [стр.2] [стр.3]