Диссертация (1102264), страница 9
Текст из файла (страница 9)
Результаты моделирования,полученные с использованием системы ассимиляции данных, позволяютвыявить специфичное поведение ионосферы во время активной фазыгеомагнитной бури. Сравнение результатов моделирования с независимыминаблюдениями показывают, что распределения, полученные на основеассимиляционной модели, являются реалистичными и, таким образом,усвоение данных может быть использовано для мониторинга состоянияионосферы и исследования происходящих в ней процессов в возмущенныхгеомагнитных условиях.543. Глава 3. Оценка дифференциальных аппаратныхзадержек глобальных навигационных спутниковыхсистем3.1 ВведениеМетоды оценки ионосферного ПЭС по данным ГНСС уже были описанымногими исследованиями [64, 65, 66, 67, 68, 69].
Однако, такие данные о ПЭС,полученные из измерений GPS, ГЛОНАСС, Galileo, Beidou и прочих системимеют неопределенность, поскольку каждый навигационный сигнал имеетзадержки, вызванные используемым оборудованием, что существенно влияетна точность оценки ионосферных ПЭС [64, 70]. Аппаратные задержкисигналов ГНСС возникают в передатчике, установленном на спутнике, и вприемнике, расположенном на Земле (или космическом сегменте, в случаеспутниковой радиорефлектометрии) [65,66].Полное электронное содержание может быть рассчитано из линейнойкомбинации двухчастотных измерений, полученное из данных ГНСС.Аппаратные задержки, как правило, определяется в относительном виде,поскольку их абсолютные величины не важны при использованиидифференциальныхпсевдодальностейпоразнымчастотам.Этиотносительные поправки и называются дифференциальными аппаратными(кодовыми) задержками - DCB.Для сети приемных станций, расположенных на различном расстояниидруготдруга,использованиеизмеренийотдельныхдвухчастотныхнавигационных приемников для построения или корректировки рассчитанныхзначений локального состояния ионосферы вблизи приемника является однимиз наиболее удобных средств дистанционного мониторинга.
Ошибкинаблюдения, в частности DCB, обязательно должны учитываться в схемерасчета ПЭС по результатам наблюдений наземных станций ГНСС.55ТакназываемыеаппаратныеDCB-файлы,задержкидлясодержащиекаждогодифференциальныеGPS/ГЛОНАССспутника,предоставляются в свободном доступе. Дифференциальные аппаратныезадержки IGS (International GNSS Service) являются комбинированнымрешениемнесколькиханалитическихцентров:Европейскийцентропределения орбит (Center for Orbit Determination in Europe, CODE) [71] вШвейцарии, исследовательским центром Jet Propulsion Laboratory (JPL) вСША, Европейским космическим агентством (European Space Agency, ESA) вГермании и Инженерный университет Polytechnic University of Catalonia (UPC)в Испании [72].
Такие фалы содержат и информацию об аппаратных задержкахспутников и тех приемников, которые входят в состав сети IGS.Однако далеко не все станции обеспечены дифференциальнымиаппаратными задержками DCB. Метод определения величины наклонногоПЭС основывается на том, что после устранения фазовых скачковвыполняется фильтрация (сглаживание) значений ПЭС, вычисленных покодовым измерениям, с использованием значений ПЭС, вычисленных пофазовымизмерениям.Вэтомслучаеосновнымпрепятствиемквосстановлению электронной концентрации на основе навигационныхизмерений, является отсутствие оценки межчастотных отклонений дляпсевдодальностей (P1 и P2).Таким образом, DCB существенным образом влияет на оценкуионосферного ПЭС.
И это в первую очередь важно для развивающейсяназемной сети, для которой значения ВСИ не могут быть получены извнешних источников.При определении DCB на точность вычислений могут повлиятьследующие факторы: а) количество используемых наземных станций, б)точность определения положения спутника, в) точность определенияположения наземных станций, г) процент точно позиционируемых станций отобщего количества, д) точность используемых аппроксимаций, в частности,56распределения вертикального ПЭС, высота слой ионосферы и пр. Каждый изэтих параметров разобран в данной главе.3.2 Методы и алгоритм определения дифференциальных аппаратныхзадержек ГНССПолное электронное содержание на пути распространения сигналаГНСС от спутника к приемнику и может быть записано в следующем виде: = ∫ ∙ (3.1)где TEC (Total electron content) – ПЭС на пути распространения сигнала, – электронная концентрация, a ds – элементарный путь вдоль трассыраспространения.Спутники систем GPS, ГЛОНАСС, BeiDou и Galileo, передают сигналына нескольких частотах.
Двухчастотные измерения ГНСС используются нетолько чтобы устранить ионосферную составляющую при передаче сигнала,но и при оценке ПЭС в ионосфере. Значения псевдодальности P и фазы L,полученные с приемника ГНСС, могут быть представлены в следующем виде:,= + ,+ + ( − ) + + , + ,,(3.2), = − ,+ + ( − ) + ,+ ,,(3.3)Индекс k указывает зависимость от частоты, i и j – отношение копределенному спутнику и приемнику. Здесь ρ – реальная дистанция междуспутником и приемником, I и T – ионосферная и тропосферная задержкасигнала, c – скорость света в вакууме, τi и τj – ошибки часов спутника иприемника соответственно, d - задержки сигнала в приемо-передающейаппаратуре, λ- длина бегущей волны, ϕ – сумма набега и неопределенностифазы бегущей волны, ,,и ,,шумовые составляющие.Компонента ,состоит из (,+ ,) + + , , где ,- целоечисло, а ,обозначает набегание фазы.
Однако отделить компоненту ,57от и , невозможно. Вместо этого мы можем использовать ,,учитывая, что ,- вещественное число.Ионосферная групповая задержка и набег фазы в уравнениях (3.2) и(3.3), соответственно, равны между собой, но противоположны по знаку [73].Это объясняется тем, что прохождение радиоволны сквозь слой плазмы влечетза собой уменьшение групповой и увеличение фазовой скорости волны.Наклонный ПЭС sTEC можно получить как из кодовых, так и фазовыхизмерений. Как представлено в [9]:(1 2 )2( − 1 ) =(12 − 22 ) 2(3.4)(1 2 )2( − 2 ) + =(12 − 22 ) 1где = 2 /(8 2 0 ) = 40.3 м3 /c 2[74](0(3.5)-диэлектрическаяпроницаемость вакуума, и - заряд и масса электрона соответственно)КонстантаConstвформуле(3.5)обусловленаналичиемнеопределенности в фазовых измерениях. Таким образом, хоть и имеетбольшую точность, чем , является относительной величиной.
Ошибка , в то же время, может составлять 20-30% от истинного значения [75,76].Пример расчета ПЭС по кодовым и фазовым измерениям для однойпары станция-спутник приведен на рис. 3.1. Значения, нанесенные точками результаты вычисления ПЭС по коду (псевдодальности), непрерывная линияпредставляет собой фазовые вычисления. После расчетов ПЭС по фазе,значения были скорректированы таким образом, чтобы наиболее близкосовпадать с кодовыми измерениями. Для расчета неизвестной аддитивнойпостоянной в формуле (3.5) применялся метод наименьших квадратов (МНК).Такая методика является одним из возможных вариантов обработкиспутникового навигационного сигнала.58Рис. 3.1.
Значения ПЭС, полученные в течение 16 октября 2010 годадля станции ALIC и спутника PRN#21.За многие годы изучения вопроса о «сшивании» кодовых и фазовыхПЭС помимо МНК были разработаны и реализованы различные методикинахождения фазовых неопределенностей. Так, например в [9, 73] и ряде другихработ, была предложена оценка нахождения скорректированного значения̃ с помощью весовых коэффициентов в качестве, которых выступалквадрат синуса угла зондирования :∑(, − , ) sin2 =1̃ = +2∑=1 sin где в качестве и рассматривается(1 2 )2( − 1 ) =(12 − 22 ) 2 =(1 2 )2( − 2 2 )(12 − 22 ) 1 1где 1 и 2 - длины волн соответствующие 1 и 259(3.6)Маннучи в работе [68] использовал в качестве весовых функцийвеличину обратную квадрату стандартного отклонение выборочного среднегозначения сигнал-шум SNR, измеренного приемником на разных частотах f.̃ = +2∑=1((2 − 1 ) − (1 − 2 ) )/2∑=1(1/ )(3.7)Дисперсия косвенно включает в себя (как и в [9; 73]) зависимость от углазондирования, но дополнительно учитывает тип приемника, многолучевость(помехи от непрямых отраженных сигналов) при распространении сигнала,режим передачи приемника.В работах Чой [7] устранение неопределенности производилось припомощи определения среднего значения разности дифференциальных P и L,тем самым «выравнивая» фазовые ионосферные наблюдения по кодовымизмерениям:(1 2 )21̃〈〉 =−(∑(, − (2 − 1 ) )) (12 − 22 )(3.8)=1где , = (1 − 2 ) ,В работе [77] предложен другой подход, где кодовые значениярекурсивно сглаживаются фазовыми.
При этом значение наклонного ПЭСопределяется линейной комбинацией из разности кодовых измерений ивеличины неопределенности в предыдущий момент времени с учетомприроста фазовых измерений:̃ = ( (1 − 2 ) + (1 − ) ( −1 ̃ −1 + (, − ,−1 )))(3.9)где = (1 2 )2 /(22 − 12 ), - весовой коэффициент для моментавремени i.Вследствие возникновения препятствия на пути распространениясигнала или каких-либо других факторов, способных повлечь пусть икратковременное прерывание сигнала, может происходить скачек в фазовыхизмерениях “cycle slip”.60Рис.
3.2. Проскакивание фазовых измерений без влияния напсевдодальность (Источник: http://gpsworld.com/innovation-cycle-slips/).Чтобы не проводить оценку ошибку при «сшивке» фазовых измерений,уровень неоднозначности (выступающий в роли константы в формуле (3.5))определяют для каждого набора наблюдений временного ряда спутниковыхизмерений, который использует одну и ту же фазовую задержку. Таким̃ параметр N фигурирует, как правило, вобразом, при вычислениях качестве количества измерений, содержащихся в одной неразрывнойтраектории.При выполнении диссертационной работы помимо МНК, былиопробованы методы, используемые в работах Ма и Шаера [9, 73], Маннучи[68] и Джин [77]. Однозначно сказать, какой из этих методов являетсянаиболееточным, не представляетсявозможным, ввиду отсутствияэталонного значения.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
