CC BY
106
2007
НАУЧНЫЙ ВЕСТНИК МГТУ ГА серия Радиофизика и радиотехника
№126
УДК 621.396.6:629.7.05
О ПРИМЕНЕНИИ ДВУХ ОДНОЧАСТОТНЫХ ПРИЁМНИКОВ GPS ДЛЯ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ ГРАЖДАНСКОЙ АВИАЦИИ
О.А. ГОРБАЧЁВ, Е.Е. НЕЧАЕВ, П.В. РЯБКОВ
Статья освещает возможность применения двух одночастотных приёмников GPS на борту воздушного судна гражданской авиации с целью повышения точности нахождения его местоположения путем определения или компенсации погрешностей, связанных с распространением радиоволн через атмосферу Земли. Приведены экспериментальные результаты по приёму сигнала двумя разнесёнными приёмниками GPS. Даны рекомендации по выбору расстояния между двумя приёмными антеннами.
В настоящее время техническую основу существующей в России Единой системы организации воздушного движения составляют традиционные радиотехнические средства обеспечения полётов (РТОП), включающие средства связи, навигации и радиолокации.
Технические возможности этих средств ограничены. Их использование малоэффективно на низких высотах полёта воздушных судов (ВС), в условиях обеспечения воздушного движения над населёнными пунктами, большими водными пространствами, малонаселённой и труднодоступной местностью [1]. Характеризуя средства связи, навигации и радиолокации аэронавигационной системы России, можно отметить следующее [1].
В настоящее время основным видом связи “воздух-земля” между экипажем ВС и авиадиспетчером является голосовая связь, осуществляемая в диапазонах ВЧ и ОВЧ. Основными недостатками такой связи являются: низкая пропускная способность связного канала, ограниченная скоростью произношения речевых сообщений, языковыми особенностями каждого человека и необходимостью повторения сообщений в случае воздействия помех, отсутствие автоматического обмена данными между бортовым и наземным оборудованием.
Основным недостатком наземных навигационных средств является привязка воздушных трасс к местоположению радиомаяков, что ограничивает возможности выбора маршрутов полёта и вызывает перегруженность отдельных областей воздушного пространства.
В качестве главного недостатка системы радионаблюдения можно отметить ограниченную дальность действия первичного и вторичного радиолокаторов, зоны действия которых определяются расстоянием прямой видимости.
В разрабатываемой сегодня концепции ИКАО CNS/ATM (Communication, Navigation, Surveillance / Air Traffic Management) главным звеном её навигационной части являются системы GNSS (Global Navigation Satellite System). Использование технологии CNS/ATM позволит снизить риск тяжёлых авиационных происшествий в шесть раз, а с учётом применения технологии TCAS вероятность столкновения ВС уменьшается более чем на порядок [2].
В GNSS ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США) используется дальномерный способ определения координат ВС, основанный на измерении дальности до опорной станции (ОС), которая размещена на навигационном спутнике, или разности дальностей до двух ОС. В первом случае речь идёт о дальномерных радионавигационных устройствах, а во втором случае - разностно-дальномерных [3].
Дальномерные системы требуют синхронной работы эталона времени ОС и опорного генератора приёмной станции ВС, т.к. дальность до спутника определяется по задержке его сигнала относительно приёмника ВС. При синхронной работе этих генераторов измеренное расстояние от ,-й ОС до ВС - это псевдодальность, определяемая как
Rie ,, =sl ( X,- x)2 + (Y - y)2 + (Z, - z)2 , (1)
где X, Yj, Zj - известные координаты ОС; х, у, z - искомые координаты ВС, например, в геоцентрической системе координат.
Для вычисления трёх координат ВС необходимы три независимых уравнения, аналогичных (1), т.е. необходимо измерить три псевдодальности Rmui по трём ОС (i = 1,2,3).
При расхождении временных шкал ОС и опорного генератора ВС Rn3Mi будет иметь погрешность сАТ (АТ - смещение шкалы времени опорного генератора ВС относительно шкалы системного времени, с - скорость распространения радиоволн). Так как АТ априори не определено, то необходимо увеличить на единицу число измерений, т. е. принимать сигналы четырёх спутников.
В разностно-дальномерных системах измеряется разность расстояний до i-й и j-й ОС
DR, = RB,j , -RiV j = -
7( Xj- x)2 + (Yj - y)2 + (Zj - z )2 . (2)
Значение ARij не зависит от АТ, и это является основным преимуществом разностно-дальномерных систем. При этом, для вычисления трёх координат ВС необходимо измерить три разности АЯ]2 , АЯ]з и AR23 . К сожалению АТ является не единственным фактором, приводящем к погрешностям определения координат ВС. Суммарная погрешность зависит от того, насколько точно известно местоположение спутника в момент измерения; от непостоянства скорости распространения радиоволн; нестабильности эталонов времени; числа используемых для определения дальности спутников, т. к. избыточная информация позволяет повысить точность, и других факторов. В [3] показано, что при использовании точного кода (диапазон L2) предельные среднеквадратические ошибки (СКО) имеют следующие значения:
• неточность прогноза параметров ОС - 3,5 м;
• неполный учёт ионосферной задержки - 2,3 м;
• неполный учёт тропосферной задержки - 2,0 м;
• многолучевой характер распространения - 1,2 м;
• погрешность бортового оборудования - 1,5 м.
Общая погрешность измерения дальности при этом составляет около 6 метров.
При грубом коде (диапазон L1) точность значительно хуже. Так, при определении координат в горизонтальной плоскости погрешности составляют 100 м (2 СКО для системы GPS) и 60 м (3 СКО для системы ГЛОНАСС), а в вертикальной плоскости соответственно 150 и 75 м [3]. Обращает на себя внимание то, что одной из основных погрешностей является влияние тропосферы и ионосферы на распространение радиоволн.
Существуют методы, позволяющие уменьшить эту погрешность, например, на основе измерения одной и той же дальности по сигналам в двух диапазонах (L1 и L2 ). Так, в приёмнике GP-80 фирмы “FURUNO” используется дополнительный канал для обработки сигналов спутников в диапазоне L2 в целях компенсации погрешностей за счёт ионосферной рефракции [3]. Аппаратура TANS Vector фирмы Trimble Navigation Ltd. (США), работающая по С/А коду GPS, представляет собой шестиканальный четырёхантенный интерферометр, предназначенный для определения координат, вектора скорости, времени и ориентации ВС (углы азимута, крена и тангажа). Приёмник GPS этой фирмы обеспечивает СКО определения курса 0,15...0,3°, при габаритах 207х127х56 мм, массе 1,4 кг и потребляет мощность 4,5 Вт [4].
Для используемой на борту ВС радиоэлектронной аппаратуры одним из основных критериев качества служат массогабаритные показатели. В связи с этим применение многоантенных и многоканальных навигационных приёмников не представляется перспективным. Тем не менее, использование двух приёмников GPS, работающих только в одном диапазоне, например, L1, позволяет определить или исключить погрешности, связанные с прохождением радиоволн через атмосферу Земли.
Рассмотрим этот вопрос подробнее.
Псевдодальности до спутника от фазового центра антенн первого и второго навигационного приёмника А и Б, находящихся на борту ВС, связаны с истинным расстоянием соотношениями:
Rhsm а = Ra + А,
RH3M Б = R + А = RA + RH3B + А (3)
где RmMА, RmMБ - псевдодальности; Ra, RБ - истинные расстояния; RmB - известная величина, определяемая расстоянием между А и Б антеннами приёмников GPS; А - погрешность измерения дальности, связанная с распространением сигнала через ионосферу и тропосферу.
Система из двух уравнений (3) содержит два неизвестных Ra и А, которые определяются известными методами решения систем нелинейных алгебраических уравнений.
Необходимо обратить внимание на то, что значение А будет различным для приёмников А и Б, если они разнесены между собой на достаточное большое расстояние порядка 10.20 X, где X - рабочая длина волны.
С целью уточнения разноса антенн двух навигационных приёмников был проведён следующий эксперимент. На земле устанавливались два навигационных приёмника GPS-V фирмы GARMIN. Для обработки результатов измерений был использован программный комплекс ASYNC/GAR2RNX [5], состоящий из двух программ. Первая из них в режиме реального времени считывает с приёмника кодированный сигнал и сохраняет его. Вторая программа выдаёт из этого сигнала данные в виде RINEX-файла, содержащего ежесекундные отсчёты псевдодальности. Кроме этого, в RINEX-файле содержится следующая информация: год, месяц, день, час, минута и секунда с дробной частью; количество зафиксированных спутников, сигналы которых были приняты, и их номера; псевдодальности, соответствующие каждому спутнику; десятибальная градация уровня принятого от спутника сигнала.
В ходе эксперимента RINEX-файл снимался с двух одновременно работающих одинаковых приёмников, разнесённых на расстояние 5X, 10X, 50X и 100X (диапазон L1). Для каждой установки приёмников измерения производились в течение 10 минут. Измерения были сделаны в г. Иркутске 03.04.2007г. и 07.04.2007г. в 5 и 10 часов по Гринвичу соответственно.
На рис. 1.8 приведены результаты приёма навигационных сигналов на разнесённые приёмники А и Б. Как видно из рис. 1.8, устойчивый приём (100% принятых сигналов от спутника за время измерений) достигается от 4.8 спутников рабочего созвездия, при этом порог приёма сигнала определялся на уровне пяти по десятибальной градации сигнала. Очевидно, что имеет место пропадание сигнала от спутника то на одном, то на другом приёмнике. Подобный эффект непосредственно связан с условиями распространения радиоволн в атмосфере Земли. В табл. 1 и 2 приведены данные (в % от времени измерений) по наличию сигнала в приёмниках А и Б, разнесённых на расстояние 5X и 50X соответственно.
Рис. 1. Расстояние между приемниками 5 X
Рис. 2. Расстояние между приемниками 5 X
Приемник А (07 04 03)
100,2 и
100-----------------------------------------------------------------------------------------------г
99. 8- ---- ----- ------ --------------- ---- ----- ----------------
99. 6- ---- ----- ------ --------------- ---- ----- ----------------
99,4---- ---- ----- ------ --------------- ---- ----- ----------------
99,2---- ---- ----- ------ ----- ------ ---- ----- -----¡=1--------
99---- --------- ----- ------ ----- ------ ---- ----- ----- -------
98. 8- ---- ----- ------ ----- ------ ---- ----- ----- -------
98.6 -I—------—,—------—,—--------—,—------—,—--—,—-----------—,—------—,—------—,—-------—,—---L
G2 G6 G7 G10 G16 G21 G24 G26 G27 G29
Номер спутника
Рис. 3. Расстояние между приемниками 10 X
Приемник Б (07 04 03)
120 и
100-----------------------------------------------------------------------------------------------
80--------------- --------- --------- -------- -------- --------- -------- -------------------
60--------------- --------- --------- -------- -------- --------- -------- -------------------
40--------------- ----- ------ ----- ----- ----- ---- ---------------
20--------------- --------- --------- -------- -------- --------- -------- -------- ----------
0 -I--------,--------,----------,-------,--------,---------,----------,--------,--------,-------
G2 G6 G7 G10 G16 G21 G24 G26 G27 G29
Номер спутника
Рис. 4. Расстояние между приемниками 10 X
Приемник А (07 04 03)
120
100 ——----------—----—-----------------—----—-----------------—------—------—-------------------Г
80----------- -------- -------- ---- -------- ------------- -------- -------- --------------
60 — -------- -------- -------- ---- -------- -------- ---- -------- -------- ------- ------
40----------- ----- ----- --- ----- ----- -- ----- ---- --- ----
20----------- -------- -------- ---- -------- -------- ---- -------- -------- ------- ------
0 -I—-----—,—----1—,—-----—,—----—,—------—,—----—,—-----—,—---—,—------—,—-----1—,—------1—,—-
G2 G6 G7 G8 G10 G16 G18 G21 G24 G26 G27 G29
Номер спутника
Рис. 5. Расстояние между приемниками 50 X
Приемник Б (07 04 03)
120
100
80
60
40
20
0
—
02 06 07 08 010 016 018 021 024 026 027 029
Номера спутника
Рис. 6. Расстояние между приемниками 50 X
Рис. 7. Расстояние между приемниками 100 X
Рис. 8. Расстояние между приемниками 100 X
Таблица 1
Номер спутника 01 05 09 012 014 018 022 030 031
Приёмник А 87,2 99,6 100 83,3 100 100 100 99,6 3,5
Приёмник Б 66,3 87,7 100 87 100 100 100 99,6 0
Таблица 2
Номер Спутника G2 G6 G7 G8 G10 G16 G18 G21 G24 G26 G27 G29
Приёмник А 100 100 100 93,3 100 98,8 70,7 100 100 100 71,7 100
Приёмник Б 100 100 100 19,3 100 97,5 98,8 100 100 100 77,3 100
Очевидно, что увеличение расстояния между приёмниками А и Б приводит к тому, что ошибки определения псевдодальности до спутников становятся некоррелированными (см. рис. 1 и 2 - смещение А-Б=5Х; рис. 5 и 6 - А-Б=50Х). Это приводит к тому, что использование (3) для оценки истинной дальности RA некорректно, т.к. в (3) присутствует погрешность Д, которая при значительном разнесении антенн приёмников А и Б будет различна.
Итак, по вопросу размещения приёмников на борту ВС можно отметить следующее. Необходимо устанавливать антенны приёмников GPS между собой на расстояние, не превышающее 5X, что исключает взаимовлияние антенн и позволяет считать коррелированными погрешности измерений, связанные с прохождением радиоволн через атмосферу Земли. Такая положительная корреляция погрешностей позволяет суммировать их не геометрически, а алгебраически, что даёт возможность упростить определение этих погрешностей, например, используя соотношение (3).
Доказательством такого вывода служат результаты эксперимента по определению радиальной скорости спутников в направлении приёмников А и Б. На рис. 9 и 10 приведены усреднённые по всем спутникам, находящимся в зоне приёма сигнала, относительные ошибки (в %) их радиальной скорости. На рис. 10 детализированы эти ошибки для случаев разнесения приёмников А и Б на расстояния 10X, 50X и 100X. Из рис. 9 видно, что относительные ошибки при расстоянии 5X не превышают 1%, для всех других - менее 2,3%. Эти результаты хорошо согласуются с теоретическими оценками. Действительно, при генерации информации в RINEX-файле с частотой 1 Гц, значение радиальной скорости по отношению, например, к приёмнику А определяется соотношением VR=(RK3M1-RK3M2)/t12. При этом погрешность определения VR представляется в виде dVR/VR=d(RmM1-RmM2)/(RmM1-RmM2). При известных ошибках измерения дальности [3] погрешность определения VR не превышает 2%. Так как относительная ошибка (рис. 9 и 10) рассчитывалась как (VRA-VR^)/ VRA, то для случая коррелированных погрешностей (расстояние между антеннами А и Б равно 5X) эта ошибка менее 1%. Это связано с тем, что погрешности суммируются алгебраически, а не геометрически как для случаев 10X, 50X и 100X.
Второй вывод, который может быть сделан из анализа экспериментальных результатов, заключается в выборе количества спутников для определения навигационных параметров ВС. Как видно из рис. 1.8, устойчивый сигнал (100% приём за время 10 минут) имеет место только для 4.8 спутников, хотя в зоне наблюдения находится до 12 спутников (рис. 5 и 6). Подобная избыточность информации позволяет по данным измерений определить область неопре-делённости и одновременно уменьшить случайную погрешность путём усреднения. В связи с этим, использование только одного спутника, как это предлагается в [6], является малоэффективным.
Другие возможности повышения точности при определении местоположения ВС заключаются в использовании не только информационного кода, заключённого в передаваемом спутником сообщении, но и самого несущего СВЧ сигнала. Например, измерение сдвига фазы несущего колебания, принятого двумя антеннами приёмника, позволяет с высокой точностью определять местоположение ВС (точность порядка сантиметров), а измерение доплеровского сдвига частоты даёт возможность уточнить скорость и направление движения ВС.
123456789 10
мин мин мин мин мин мин мин мин мин мин
—■— 5 Л
—■— 10 Л
—А— 50 Л
100 Л
Рис. 9. Усредненная относительная ошибка (в %) радиальной скорости спутников
Рис. 10. Усредненная относительная ошибка (в %) радиальной скорости спутников
Технология измерения разности фаз для двух или трёх антенн используется, например, в приёмниках GPS типа NR230 фирмы DASSAULT SERCEL (Франция); 3DF фирмы ASHTECH (США); TANS Vector фирмы Trimble Navigation (США) [4,7,8]. СКО определения курса для указанных выше приёмников не превышают 0,30 , а тангажа и крена ВС - не более 0,60. При этом расстояние между антеннами (их количество три или четыре) выдерживается в пределах одного - двух метров.
Таким образом, приём навигационных сигналов от созвездия спутников на два разнесённых одночастотных приёмника GPS позволяет определить или устранить погрешности в определении координат ВС в диапазоне L1 с использованием навигационного сигнала стандартной точности. Применение двух антенных систем даёт возможность за счёт усложнения обработки собственно СВЧ сигнала произвести высокоточное определение координат ВС.
ЛИТЕРАТУРА
1. Логвин А.И., Соломенцев В.В. Спутниковые системы навигации и управления воздушным движением. Учебное пособие. - М.: МГТУ ГА, 2005.
2. Шестаков И.Н. Интеграция и автоматизация процессов выполнения полётов и управления воздушным движением // Научный Вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 107 (10), 2006. С. 170... 179.
3. Бакулев П.А., Сосновский А.А. Радионавигационные системы. Учебник для вузов. - М.: Радиотехника, 2005. 224с.
4. TANS Vector. Проспект фирмы Trimble Navigation, 1994.
5. Горбачёв О.А., Иванов В.Б., Рябков П.В. О возможности применения одночастотных приёмников GPS для диагностики ионосферы // Научный Вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 107 (10), 2006. С. 48.54.
6. Шестаков И.Н. Повышение точности позиционирования подвижных объектов с применением нескольких приёмных устройств СРНС на борту ВС // Научный Вестник МГТУГА, серия Радиофизика и радиотехника, № 107 (10), 2006. С. 180. 189.
7. Приёмники GPS 3DF. Проспект фирмы ASHTECH, 1994.
8. Приёмники GPS типа NR230. Проспект фирмы DASSAULT SERCEL, 1997.
ON APPLICATION OF TWO GPS SINGLE-FREQUENCY RECEIVERS FOR CIVIL AVIATION
AIRCRAFTS
Gorbachev O.A., Nechaev E.E., Ryabkov P.V.
The paper is devoted to application of two GPS single-frequency receivers for civil aviation aircraft with the purpose to raise an exactitude of determination it location by definition or compensating of error connected with radio waves propagation through an Earth's atmosphere. The experimental results are considered. The recommendations for the distance choice between two receiving antennas are given.
Сведения об авторах
Горбачёв Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), доцент, кандидат физикоматематических наук, заведующий кафедрой авиационного радиоэлектронного оборудования Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 29 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1952 г.р., окончил НГТУ (1974), доктор технических наук, профессор кафедры РТУ МГТУ ГА, автор 147 научных работ, область научных интересов - антенные измерения, техника СВЧ, использование спутниковых технологий при ОрВД.
Рябков Павел Владимирович, 1974 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1996), старший инженер отдела информационных технологий ВВАИУ, автор 5 научных работ, область научных интересов - радионавигация.
