Уменьшение ионосферных и тропосферных погрешностей

Проведен цикл исследований по оценке пространственно-временных свойств ионосферных задержек (их одинарных и двойных разностей) с целью определения возможностей использования одночастотного ГНСС оборудования для позиционирования с сантиметровой точностью на средних базовых линиях до ~100 км.

Разработан программно-алгоритмический инструментарий оценки текущих интегральных зенитных тропосферных задержек (ЗТЗ) с сантиметровым уровнем точности с использованием фазовых ГНСС измерений сети перманентных референцних станций. Оценки ЗТЗ, в свою очередь, используются для их интерполяции (в условиях, когда это возможно и целесообразно) на текущее местоположение ГНСС потребителей с целью повышения точности позиционирования.

Ряд результатов выполненных исследований характеристик ионосферных задержек и реализации способов их компенсации представлены в публикациях:


  1. Жалило, А.А., Е.А. Бессонов О проблеме учета ионосферной задержки навигационных сигналов в задачах точного ГНСС-позиционирования// 4-й Международный радиоэлектронный форум «Прикладная радиоэлектроника. Состояние и перспективы развития»: Харьков, ХНУРЭ. - 2011. - т. 1, №2. - C. 62 – 65;
  2. Жалило А.А., Бессонов Е.А. Повышение точности дифференциального одночастотного ГНСС-позиционирования путём сетевой коррекции ионосферных погрешностей// Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». - № 169. - 2012 г. - С. 302-314;
  3. Желанов А.А. Бессонов Е.А. Использование глобальных ионосферных карт IGS в задачах высокоточного ГНСС-позиционирования// журнал "Прикладная радиоэлектроника". - 2011 г. - Т.10 №3.- С. 302-306;
  4. Бессонов Е.А. Аппроксимация гладкими функциями расчетных ионосферных коррекций в задачах точного ГНСС-позиционирования// Всеукраинский межведомственный научно-технический сборник «Радиотехника». - 2011 г. - №165.- С. 69-74;

Краткие результаты по учету влияния среды распространения радионавигационных спутниковых сигналов на точность позиционирования представлены в сокращенном варианте отчета «Оценка и учет тропосферных и ионосферных погрешностей определения местоположения по сигналам ГНСС с использованием сезонных суточных выборок наблюдений сети перманентных ГНСС станций в Харьковской области» (данная работа выполнена при частичном финансировании по договору №ДЗ/467-2011 с Держинформнаукой Украины).

Детальные результаты исследований 2011-2012 г.г. находятся в стадии публикации и будут размещены на сайте позднее вместе с результатами текущих исследований 2013 г.

Одной из задач текущего этапа (2013 г.) является оценка пространственно-временного изменения полного электронного содержания (ПЭС) (англ. TEC) над территорией Украины с использованием ГНСС наблюдений наземной сети перманентных (непрерывно действующих) референцных станций (~60 станций). Данный научный проект выполняется при финансировании со стороны НАН Украины с целью создания системы (аппаратно-программных средств) сбора, обработки и анализа наблюдений наземных ГНСС станций Украины для поддержки проекта «Ионосат-Микро».

map_gnss_station

Рис. 1 – Сеть референцных ГНСС станций, расположенной на территории Киевской, Черкасской, Черниговской областей Украины

Предполагается, что в результате разработки будет создана и исследована региональная 2D–модель ПЭС с высоким разрешением по пространству и времени, которая также позволит повысить точность компенсации ионосферных погрешностей (по сравнению с ионосферными моделями Klobuchar, grid–моделями GIM IONEX, SBAS и др.) при навигации и позиционировании.

Ниже представлены некоторые иллюстрации результатов исследований (2010-2012 г.г. [1]) пространственно-временных характеристик ионосферных задержек и воздействия ионосферных вариаций на надежность и точность дифференциального одночастотного L1 ГНСС позиционирования.

Для целей исследований использованы двухчастотные наблюдения (2008 г.) сети двухчастотных перманентных референцных ГНСС станций в Киевской, Черкасской и Черниговской областей Украины (см. рис. 1). Для выделения вариационной составляющей ионосферной задержки с использованием ионосферной «Geometry-Free» (GF) комбинации фазовых наблюдений применена процедура «детрендинга». Для каждой из станций сети получены абсолютные значения вариаций ионосферных задержек. Примеры недифференциальных вариаций ионосферных задержек для нескольких GPS спутников рабочего созвездия представлены на рис. 2. Зависимости ионосферных вариаций от времени представлены на рисунках для нескольких пар станций с межбазовыми расстояниями: «BOBR» – «GLSV» (~75 км), «SHDA» – «GLSV» (~97 км), «PRYL»–«GLSV» (137 км), «SMLA» – «GLSV» (~162 км). Это позволило сравнить и оценить пространственно-временные корреляции, а также эффективность взаимной компенсации вариаций на различных базовых расстояниях.

В целом, вариационная ионосферная составляющая характеризуется периодами вариаций ~5-20 мин и уровнями вариаций ~5-50 см. На средних (~50–75 км) и больших (~150–200 км) базовых расстояниях вариации ионосферных задержек характеризуются слабой пространственно-временной корреляцией и не могут быть скомпенсированы с достаточной (сантиметровой) точностью при использовании дифференциального метода и/или «трендовых» ионосферных моделей. На небольших базовых расстояниях (до ~10-15 км) остаточные дифференциальные ионосферные вариации сопоставимы с уровнем шумов и многолучевости фазовых наблюдений.

Существенно большая эффективность компенсации ионосферных погрешностей наблюдений потребителей достигается при использовании дополнительных сетевых интерполяционных ионосферных коррекций (см. подробнее в работе [2]).

Для анализа эффективности метода дополнительной сетевой ионосферной коррекции на базовых расстояниях до ~100 км были использованы наблюдения сети (см. рис. 1) с межбазовыми расстояниями до ~160 км. В качестве «ведущей» референцной станции выбрана станция «GLSV». Примеры результатов интерполяции/экстраполяции ионосферных задержек, сформированных на базовых линиях «SMLA»–«GLSV» и «PRYL»–«GLSV», на базовые линии «SHDA»–«GLSV» (~97 км) и «BOBR»–«GLSV» (~75 км) представлены на рис. 3–6.

В целом, дополнительная сетевая коррекция ионосферных задержек позволяет практически полностью устранить трендовую компоненту ионосферной задержки (максимальные погрешности не превышают ~1–2 см) и заметно (в среднем до ~40%) снизить уровень дифференциальных ионосферных вариаций.


iono_variations_BOBR-GLSV iono_variations_SHDA-GLSV iono_variations_BOBR-PRYL iono_variations_SHDA-PRYL iono_variations_BOBR-SMLA iono_variations_SHDA-SMLA iono_variations_GLSV-SMLA iono_variations_GLSV-PRYL
Рис. 2 – Примеры «недифференциальных» вариаций ионосферных задержек для нескольких GPS спутников рабочего созвездия разных пар станций

iono_extrapolation_BOBR-GLSV_SV10-SV21 iono_extrapolation_BOBR-GLSV_SV18-SV21
До ввода сетевых коррекций, RSS=3,5 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 31%
До ввода сетевых коррекций, RSS=5,1 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 15%

Рис. 3 – Исходные и экстраполированные двойные разности ионосферных задержек на базе «BOBR»-«GLSV»
а) для спутников SV10-SV21,
б) для спутников SV18-SV21


iono_extrapolation_BOBR-GLSV_SV22-SV21 iono_extrapolation_BOBR-GLSV_SV30-SV21
До ввода сетевых коррекций, RSS=4,8 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 10%
До ввода сетевых коррекций, RSS=6,55 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 21%

Рис. 4 – Исходные и экстраполированные двойные разности ионосферных задержек на базе «BOBR»-«GLSV»
а) для спутников SV22-SV21,
б) для спутников SV30-SV21


iono_interpolation_SHDA-GLSV_SV18-SV21 iono_interpolation_SHDA-GLSV_SV6-SV21
До ввода сетевых коррекций, RSS=6,26 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 47%
До ввода сетевых коррекций, RSS=10,2 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 39%

Рис. 5 – Исходные и интерполированные двойные разности ионосферных задержек на базе «SHDA»-«GLSV»
а) для спутников SV6-SV21,
б) для спутников SV18-SV21


iono_interpolation_SHDA-GLSV_SV15-SV21 iono_interpolation_SHDA-GLSV_SV22-SV21
До ввода сетевых коррекций, RSS=13 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 23%
До ввода сетевых коррекций, RSS=6,18 см.
После ввода сетевых коррекций RSS уменьшилась на 39%

Рис. 6 – Исходные и интерполированные двойные разности ионосферных задержек на базе «SHDA»-«GLSV»
а) для спутников SV15-SV21,
б) для спутников SV22-SV21