Українська   English
ДонНТУ   Портал магистров

Исследования влияния атмосферы на работу спутникового приемника

Содержание

Введение

В последние годы усилия большого числа исследователей разных стран направлены на повышение точности измерений, осуществляемых с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). К подобным системам относятся, в частности, разработанная в США GPS, российская ГЛОНАСС и разработка стран ЕС – GALILEO. Интерес к проблеме точности ГНСС измерений объясняется широким применением таких систем в геодезии, геофизике, навигации, при мониторинге окружающей среды, в метрологии и фундаментальных исследованиях.

Одним из основных факторов, ограничивающих точность ГНСС измерений, является влияние земной атмосферы на характеристики распространения сигналов ГНСС. Главными источниками погрешности измерения в данном случае оказываются дополнительная задержка сигнала в атмосфере и рефракционное искривление траектории, по которой он распространяется.

На процесс и результаты измерений атмосфера влияет посредством следующих факторов. Затухание сигнала (поглощение энергии волны в атмосфере) ограничивает дальность действия и иногда вообще не позволяет выполнять измерения. Изменение скорости распространения электромагнитной волны увеличивает оптическую (электрическую) длину пройденного пути в сравнении с его геометрической длиной. Факторы влияют на результат измерения, а точность учета этих факторов влияет, на точность конечного результата. Современные геодезические приборы имеют очень высокую точность, поэтому ошибка в определении расстояния (дальности) в конечном счете, зависит от точности учета влияния атмосферы.[1]

Рис.1 – Строение атмосферы

1. Актуальность темы

Актуальность исследования определяется стремительным развитием современных спутниковых систем. Появившись более четырех десятков лет назад глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС) постепенно проникли во многие области человеческой деятельности. По мере их развития и появления все большей открытости для широкого круга потребителей, задачи, решаемые ГНСС вышли далеко за рамки осуществления навигационного обеспечения.

Влияние атмосферы на измерительный процесс снижает точность всех видов геодезических измерений. Решение на современном научно–техническом уровне проблемы методики учета и ослабления влияния атмосферы остается постоянно актуальной и является одним из основных путей повышения точности результатов геодезических наблюдений.

2. Цель и задачи исследования

Цель: оценка влияния атмосферных задержек на работу спутникового приемника на территории Донецкой области.

Задачи:

  1. Оценить величину влияния атмосферы на работу спутникового приемника.
  2. Разработка рекомендаций по учёту тропосферной рефракции.

Идея: проверить возможность использования спутникового приемника при различных метеорологических условиях.

Объект: погрешности, возникающие во время работы со спутниковым приемником.

Предмет: атмосфера как источник погрешностей.

Методика исследования:

При выполнении работы будут использованы следующие методы:

  1. Анализ существующих исследований по данному вопросу с целью перенять полученный опыт
  2. Синтез. Изучив и проанализировав различные работы, необходимо синтезировать полученный опыт для разработки принципов учета влияния атмосферы на территории Донецкой области.

3. Влияние внешней среды на результаты измерений

На пути от спутника до приемного устройства на Земле радиосигнал претерпевает возмущения в ионосфере, нижних слоях атмосферы, особенно в тропосфере, а также вблизи поверхности Земли.

3.1 Влияние ионосферы

Ионосфера, простирающаяся от высоты около 50 км до примерно 1 000 км над Землей, является областью ионизованных газов (свободных электронов и ионов). Ионизация вызывается солнечной радиацией, и состояние ионосферы определяется преимущественно интенсивностью солнечной активности. Ионосфера состоит из слоев на различных высотах, каждый со своими скоростями образования и потери свободных электронов (рис. 2).

Рис.2 – Количество электронов на высоту

Концентрация электронов зависит от угла возвышения спутника, географического местоположения, времени суток, года и активности Солнца. В средних широтах искажения днем могут достигать десятков метров, ночью – на порядок меньше. Для конкретного сеанса измерений [2] ионосферные погрешности являются медленноменяющимися и сильнокоррелированными.

В измерения, выполненные на одной частоте, вносят• поправки за искажения в ионосфере. С этой целью в навигационном сообщении содержатся параметры модели ионосферы. Однако компенсация фактической задержки в лучшем случае составляет только 50%. Величина некомпенсированной задержки может искажать псевдодальности до 10 м.

3.2 Влияние тропосферы

Нейтральная атмосфера (тропосфера, тропопауза и стратосфера) является недиспергирующей средой. О ее влиянии говорят как о тропосферной рефракции, которая не зависит от частоты и, следовательно, влияет и на кодовую модуляцию, и на фазу несущей одинаковым образом. Влияние представляет задержку [2], которая достигает 2.0 – 2.5 м в зенитном направлении и увеличивается примерно пропорционально косекансу угла высоты, достигая 20 – 28 м на высоте 5°. Измеренные дальности оказываются длинней, чем геометрическое расстояние между приемником и спутником. Задержка зависит от температуры, влажности и давления, изменяется с высотой пользователя и с типом местности под траекторией сигнала. Из–за того, что тропосферная рефракция не зависит от частоты несущей, ее невозможно устранять в двухчастотных наблюдениях, в отличие от ионосферной рефракции.

Анимация 1 – Пример некачественного приёма сигналов от спутников в условиях городской территории [8]
(Размер 14.6 КБ, 7 кадров, количество повторений – 10, частота повторений 0.5 с)

3.3 Атмосферные поля температуры, давления и влажности

Поле температуры. Температурное поле атмосферы даже на значительных высотах над поверхностью Земли определяется её обратным излучением из–за нагрева Солнцем в течение суток. При этом большое значение имеет рельеф, время дня и года, погода и характер покрова поверхности.

Толщина слоя воздуха, подверженного влиянию поверхности Земли, достигает нескольких сотен метров. Расположенные над ним воздушные слои в меньшей степени подвержены колебаниям температуры, и степень этих колебаний уменьшается с высотой.

Расположение температурных слоев вблизи поверхности различно днём и ночью. Днём, даже при сплошной облачности, оно определяется солнечным и отраженным излучением. Солнечная энергия проходит сквозь толщу воздуха, лишь частично её поглощающего, и нагревает Землю. Земля отдает тепло приземному слою, медленно остывая. Так же она частично отражает излучение Солнца в длинноволновой части инфракрасного диапазона, поглощаемого парами воды и углекислым газом воздуха. За счёт турбулентных процессов обмена (конвекции) это тепло передаётся расположенным выше слоям.

Представление о строении температурного поля атмосферы в зависимости от времени суток дает некоторую схематическую модель [4]. В действительности, процессы, происходящие в атмосфере, значительно сложнее из–за многообразия местных воздействий и влияния времени. Температурное поле атмосферы неоднородно и имеет нерегулярную область.

Поле давления. Распределение давления воздуха в пространстве, охватываемом измерениями, можно рассматривать как закономерное и однородное, то есть поверхности равного давления располагаются практически горизонтально. Падение давления в горизонтальной плоскости при нормальной погоде в направлении максимума составляет [2] в среднем 1 мбар на 100–500 км. Периодическое суточные колебания, вызванные воздействием Солнца, составляют в средних широтах десятые доли миллибара. То же самое относится к местным изменениям давления, возникающим при наличии ветра.

Пары воды в атмосфере. Присутствие паров воды в атмосфере обеспечивается двумя источниками. Основная часть паров образуется при испарении с поверхности морей и океанов, попадая в область, расположенные над сушей. Остальная часть появляется за счет испарения на суше – с поверхности внутренних водоемов, за счет влажности почвы и растений. Испарение происходит при любой погоде и температуре, но увеличивается при повышении температуры и скорости ветра. Пары воды в атмосфере распространяются за счет диффузии и ветра [5].

В связи с суточными колебаниями температуры и вызванными этим движениями воздуха, расположенного непосредственно над поверхностью Земли, возникают периодические колебания влажности, амплитуда которых зависит от местных условий.

Содержание в воздухе паров ограничено температурой воздуха. Каждой температуре соответствует определенное максимальное содержание водяных паров в воздухе.

3.4 Многолучевость (многопутность).

К антенне приходят радиолучи непосредственно от спутника, а также радиолучи, обогнувшие вследствие дифракции мелкие предметы, и отраженные от земной поверхности, зданий и других объектов местности. Многолучевость ведет к искажению дальностей.

Сигналы могут отражаться при спутнике (спутниковая многопутность) или в окрестностях приемника (многоутность приемника). Спутниковая многопутность, скорее всего, исключается на коротких базовых линиях в одинарных разностях наблюдений. Отраженный сигнал всегда слабее, из–за потери энергии на отражателе. Это затухание зависит от материала отражателя, угла падения и поляризации [1]. Отражение на очень малых углах падения практически не имеет затухания. Именно поэтому на малых высотах происходят сильные помехи из–за многопутности.

4. Инструментальные ошибки приемника и антенны

4.1 Шумы в приемнике

Тепловой шум в аппаратуре создает шум в данных, полученных при измерениях. Шум в приемнике может быть теоретически вычислен по коэффициенту усиления антенны, мощности сигналов спутников и температурным шумовым характеристикам приемника и окружающей его среды. Шум данных зависит [3] от высоты топоцентрического направления на спутник, поскольку от этого изменяются коэффициент усиления в антенне и потери в силе сигнала из–за ослабления в атмосфере Земли, а также от времени усреднения в приемнике. Эта специфическая ошибка не влияет на геодезические измерения, поскольку исключается в двойных разностях, но она должна тщательно исследоваться и учитываться при измерениях ионосферной задержки.

4.2 Влияние ошибок времени

Основная часть ошибок часов приемника и спутника исключается при формировании двойных разностей или при оценивании поправки часов, изменяющихся по случайному закону. В то же время, есть зависимость геодезических измерений, от действительного времени в которое производились измерения, из–за нелинейности геодезической задачи определения координат. Общее влияние ошибки такого типа мало, за исключением случаев, когда приемник неправильно разрешает миллисекундную неоднозначность C/A–кодовых псевдодальностей [3], при которых становится почти невозможно определить, где было сделано измерение. Ошибка должна устраняться в приемнике на стадии первичной обработки сигнала, когда еще есть возможность повторить измерения в поле.

4.3 Нестабильность локального генератора, перекрестные наводки, межканальные сдвиги, дрейфы и шум квантования

Перекрестные наводки, дрейфы и шумы квантования зависят, в первую очередь, от качества изготовления аппаратуры, и наблюдатель не имеет возможности активно воздействовать на уровень этих влияний. Нестабильность локального генератора может быть уменьшена образованием нормальных мест из серии наблюдений между отдельными эпохами и образованием двойных разностей в процессе решения базовых линий. Влияние межканальных сдвигов зависит от частоты сигнала и поэтому особенно серьезно для аппаратуры, работающей одновременно по системам GPS и ГЛОНАСС [6].

4.4 Тестирование приемника

В общем, GPS приёмники считаются самокалибрующимися устройствами, и пользователи не выполняют калибровку оборудования. Единственный простой тест, который может выполняться наблюдателем, это нулевая базовая линия. Это измерение делается, когда два или больше приёмников подсоединяются к одной антенне. Чтобы направить входящий сигнал на разные приёмники, необходимо использовать разветвитель. При этом нужно позаботиться о том, чтобы заблокировать питающее антенну напряжение от всех приёмников, кроме одного.

4.5 Изменение фазового центра антенны

Фазовый или электрический центр – это точка антенны, в которой совпадают одинаковые фазовые фронты пришедших радиосигналов. Именно от нее приемник производит измерения расстояний до спутников. Но фазовый центр не является физической точкой, от которой геодезисту можно было бы оценивать удаление от марки центра пункта. Его положение является функцией направления, с которого антенна принимает сигнал. Среднее положение фазового центра определяется относительно некоторой опорной точки антенны, а положение этой точки относительно марки геодезического пункта измеряется в процессе наблюдений.

Разработано два вида калибровок [3]: абсолютные и относительные. В абсолютных калибровках параметры антенны выводятся из наблюдений радиоисточников с известным положением, в относительных калибровках параметры антенны получаются из наблюдений известной базовой линии двумя антеннами, из которых одна принимается за опорную.

В качестве вывода разделю ошибки, которые возникают во время работы со спутниковым приемником на следующие группы:

  1. ошибки, связанные с неточностью знания исходных данных, из которых определяющая роль принадлежит погрешностям знания эфемерид спутников, значения которых должны быть известны на момент измерений;
  2. ошибки, обусловленные влиянием внешней среды, среди которых выделяют такие источники, как воздействие атмосферы (ионосферы и тропосферы) на результаты спутниковых измерений, а также отраженных от окружающих объектов радиосигналов (многопутность);
  3. инструментальные источники ошибок, к которым, как правило, относят неточность знания положения фазового центра антенны приемника, неучтенные временные задержки при прохождении информационных сигналов через аппаратуру, а также погрешности, связанные с работой регистрирующих устройств спутниковых приемников.

Вывод

По ходу выполнения работы были исследованы модели, определяющие ионосферную и тропосферную задержки.

По результатам выполнения магистерской работы хотелось бы прояснить, на сколько велико влияние атмосферы на работу спутникового приемника на территории Донецкой области можно ли этим пренебречь и в каких случаях. Также ожидается нахождения подходящего метода учета влияния атмосферы для территории Донецкой области.

Список источников

  1. Серапинас Б.Б. Глобальные системы позиционирования/ Б.Б. Серапинас // Спутниковые технологии – 2002. –106 с.
  2. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии (том2)/ К.М. Антонович // Геодезия – 2006. – 311 с.
  3. Классификация источников ошибок спутниковых измерений [Электронный ресурс]
  4. Антонович К.М. Тропосферная задержка при ГНСС измерениях // Геодезия и аэрофотосъемка. – 2012. – №1/2.
  5. Антонович К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии (том1) / К.М. Антонович//Геодезия – 2005. – 334 с.
  6. Антонович К.М., Фролова Е.К. Совместное использование метеоданных наземных и аэрологических наблюдений при обработке спутниковых измерений // Вестник СГГА. – 2003. – №8.
  7. Большая советская энциклопедия : Ионосфера[Электронный ресурс]
  8. Соколов В.И. Исследование влияния качества приёма радиосигналов на точность дифференциальных GPS–измерений при коротких базах [Электронный ресурс]