Навигационные измерения в многоканальной НАП

Навигационные измерения в многоканальной НАП

 

Рассмотрим многоканальную НАП, использующую узкополосные радиосигналы и предназначенную для глобальной навигации наземных подвижных объектов (сухопутных, морских, воздушных). Будем считать, что в НАП применяется широконаправленная приемная антенна.

В каждом канале НАП в режиме слежения за узкополосным навигационным радиосигналом принимается ЦИ и ежесекундно измеряются два навигационных параметра ѕ  псевдодальность и радиальная псевдоскорость.

Псевдодальность от объекта до НКА измеряется в НАП посредством измерения сдвига принимаемой ПСП1 относительно опорного сигнала в НАП. Радиальная псевдоскорость объекта относительно НКА измеряется посредством измерения сдвига несущей частоты принимаемого навигационного радиосигнала относительно частоты опорного сигнала в НАП. Опорный сигнал в НАП формируется с использованием кварцевого генератора.

Результаты измерений псевдодальностей Sk(t) не менее, чем для четырех выбранных НКА (k = 1,2,3,4) с учетом введения ЧВП, содержащихся в кадре ЦИ, можно выразить следующим образом :

 Sk(t)=Rk(t)+ct 0(t)+cd t k(t)+d Sk(t), 

где Rk(t) ѕ дальность от объекта до НКА; с ѕ скорость света; t 0 (t) ѕ сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы; d t k(t) ѕ  погрешность ЧВП; d Sk(t) ѕ  погрешность измерений в НАП.

В двухдиапазонной НАП навигационные измерения псевдодальностей на двух несущих частотах ¦ в" 1600 МГц и ¦ н" 1250 МГц позволяют исключить ионосферные погрешности измерений следующим образом. Обозначим S0(t) ѕ  измеренная псевдодальность без ионосферных погрешностей. Поскольку для верхнего и нижнего диапазонов

Sв(t)=S0(t)+А/¦ ; Sн(t)= S0(t)+А/¦

где А/¦ 2 ѕ  ионосферная погрешность измерения псевдодальности, то алгоритм получения объединенного результата S0(t), в котором исключены ионосферные погрешности будет следующим: 

S0(t)= Sв(t)-Sн(t); m=¦ н /¦ в=7/9.

 Погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности можно оценить следующим образом:

d S0 = d Sв - d Sн = 2,53d Sв - 1,53d Sн

В сеансе навигации результаты измерений в НАП псевдодальностей относительно не менее четырех НКА, выбранных для сеанса, и принятая ЭИ от выбранных НКА позволяют определить три координаты объекта и сдвиг местной ШВ объекта (опорного сигнала) относительно ШВ системы.

Задача настоящего раздела ѕ оценить погрешность измерения псевдодальностей в многоканальной НАП при использовании узкополосных навигационных радиосигналов. Основными источниками погрешностей измерения псевдодальности в многоканальной НАП являются: шумы и многолучевость на входе приемника, тропосфера, ионосфера (в однодиапазонной НАП).

При оценке погрешностей псевдодальности, обусловленных шумами и многолучевости на входе приемника, будем полагать, что в каналах НАП в цепях слежения за ПСП1 применяются дискриминаторы задержки, у которых ширина центрального линейного участка дискриминационной характеристики равна длительности символа ПСП1.

Шумовую погрешность s  (S) однодиапазонных измерений псевдодальности можно оценить следующим образом: 

s (S) =

где ѕ  скорость света; F1 ѕ  тактовая частота ПСП1; Pc /gш ѕ  энергетический потенциал узкополосного навигационного радиосигнала на входе приемника; ѕ  ухудшение энергетического потенциала в приемнике (k ~ 1,5); T0 ѕ  интервал осреднения (накопления) измерений.

Энергетические потенциалы узкополосных навигационных радиосигналов на входе приемника в НАП с широконаправленной приемной антенной (см. выше) составляют [дБ Гц]:

 

b =90°

b =5°

1600 МГц

+47...49

+39...44

1250 МГц

+43...45

+34...39

и соответственно шумовые погрешности однодиапазонных измерений при осреднении T0 = 1с составят [м]:

 

b = 9 0 °

b = 5 °

s (Sв) 1600 МГц

1,7...2,1

3,3...6,0

s (Sн) 1250 МГц

3,0...4,0

5,9...10,5

Шумовую погрешность двухдиапазонного измерения псевдодальности найдем следующим образом: 

s (S0)={[2,53s (Sв)]2+[1,53s (Sн)]2}1/2

и соответственно получим при T0=1c

s (S0)=

Навигационный радиосигнал от пригоризонтного НКА может приходить к наземному подвижному объекту не только прямым путем но и за счет зеркального отражения от земной поверхности (многолучевость). Отраженный радиосигнал приходит к объекту с направления ниже местного горизонта, и при зеркальном отражении изменяется на противоположное направление круговой поляризации радиосигнала. С учетом данного обстоятельства и за счет пространственной избирательности приемной антенны мощность отраженного радиосигнала Pc2 будет много меньше мощности прямого радиосигнала Pc1 на входе приемника.

Погрешность измерения псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленная многолучевостью при использовании узкополосного навигационного радиосигнала, будет максимальна в худшей ситуации, когда задержка D t отраженного радиосигнала относительно прямого радиосигнала на входе приемника будет равна D t=1/2F1, где F1 ѕ  тактовая частота ПСП1. При D t< < 1/2F1, и при D t> 3/2F1 погрешность будет много меньше, чем в худшей ситуации. При T0=1 c погрешность псевдодальности до пригоризонтного НКА из-за многолучевости в худшей ситуации для узкополосных навигационных радиосигналов будет равна

 s (S)= .

 Подставляя Pc2/Pc1= - (30...32) дБ, получим s (S)= 3,0 м, которое хорошо согласуется с экспериментальными данными. Следовательно, при двухдиапазонных измерениях (1600 МГц, 1250 МГц) и T0 =1 c получим:

s (S0)= s (S)=9,0м. 

В тропосфере скорость распространения радиоволны равна c=c0/n(h), где с0ѕ скорость распространения света в вакууме; n(h)ѕ коэффициент преломления тропосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)> 1 .

Тропосферную погрешность беззапросного измерения дальности (псевдодальности) для НКА при углах возвышения НКА b і 5 ° можно найти следующим образом: 

D R(b )= 

В НАП тропосферные погрешности компенсируются расчетными поправками. Если рассчитывать тропосферные поправки для средних параметров тропосферы (глобально), то их погрешность s (D R) составит 10% от величины поправки D R(b ).

Для оценки погрешностей можно воспользоваться простой экспоненциальной моделью тропосферы: 

D n(h) = D n(0) e-h/а

и, подставив средние значения D n(0)=3Ч 10-4, a=8 км, получим:

b , угл.град..........................

90°

10°

5°

D R(b ), м.............................

2,5

15

30

s (D R), м.............................

0,25

1,5

3,0

Проведем оценку ионосферных погрешностей измерения псевдодальности в однодиапазонной НАП (1600 МГц). Ионосфера Земли начинается с высоты 100 км, на высотах от 300 до 400 электронная концентрация в ионосфере максимальна и выше с увеличением высоты уменьшается приблизительно экспоненциально и на высоте 900 км электронная концентрация в ионосфере составляет приблизительно 10% от максимальной.

Групповая скорость радиосигнала в ионосфере равна с = с0n(h), где с0 ѕ  скорость света в вакууме, n(h) ѕ  коэффициент преломления ионосферы на высоте h над поверхностью Земли, n(h)<1. Коэффициент преломления в ионосфере n(h) зависит от частоты радиосигнала и для частоты радиосигнала f >100 МГц можно воспользоваться равенством: 

D n(h) = 1-n(h) = 40,3 N(h) / f 2

где N(h) ѕ  электронная концентрация ионосферы на высоте h [эл/см3]; f-несущая частота радиосигнала [кГц].

Проведем оценку ионосферных погрешностей беззапросного измерения дальности (псевдодальности) до околозенитного и пригоризонтного НКА.

Ионосферную погрешность при вертикальном прохождении радиолуча к наземному объекту от зенитного НКА можно оценить следующим образом: 

d  R1=  

Вертикальный профиль величины D n(h) в зависимости от высоты можно представить в виде:

  1. при h Ј  h1=100 км D n(h) = 0 ;
  2. при  hЈ  h Ј  h2 = 300 км D n(h) линейно возрастает до D nm , где D nm ѕ  максимальное значение D n(h) ;
  3. при  hЈ  h Ј  h3 = 400 км D n(h) = D nm ;
  4. при h і  h3 = 400 км D n(h) = D nm e

, a=200 км. 

Используя данную аппроксимацию для D n(h) , получим формулу для оценки ионосферной погрешности беззапросных измерений дальности (псевдодальности) до зенитного НКА 

d  R1 = bэ D nm ;

bэ = 0,5 (h2-h1)+(h3-h2)+a=400 км .

Параметр bэ можно назвать толщиной эквивалентной ионосферы, у которой D n(h) = D nm на высотах h = 200...600 км и вне этих высот D n(h) = 0.

Ионосферную погрешность d  R2 псевдодальности горизонтного НКА (b  =  0 ° ) можно приблизительно оценить следующим образом:

d  R2 = d  R1/ cosg ; sing = r/(r+h3) , 

где g ѕ угол между радиолучом от горизонтного НКА (b  =  0 ° ) и местной вертикалью на высоте h3=400 км (середина эквивалентной ионосферы) ; ѕ  радиус Земли . Проводя вычисления , получим g = 7 3 ° и соответственно d  R2=3,3 d  R1. Для пригоризонтного НКА (b =5° ...10° ) можно считать, что d  R2=3 d  R1.

Найдем величину D nm для несущей частоты f=1600 МГц навигационного радиосигнала. В средних широтах в худший сезон (зимний день) в годы максимальной солнечной активности максимальная электронная концентрация на высотах 300...400 км может достигать N = 3,0Ч 106 эл/см3, и соответственно для f=1,6Ч 106 кГц получим 

D nm=3,8Ч 10-5 , d  R1=15 м , d  R2=45 м. 

Ночью и летом ионосферные погрешности будут в несколько раз меньше. В годы минимальной солнечной активности ионосферные погрешности даже в зимний день в 5...6 раз меньше приведенных выше максимальных значений.

Обсудим перспективу, когда в системе ГЛОНАСС будут эксплуатироваться НКА второй модификации, которые будут излучать двухкомпонентный навигационный радиосигнал 1250 МГц вместо однокомпонентного радиосигнала 1250 МГц в НКА первой модификации. Соответственно появляется возможность проводить измерения навигационных параметров в двухдиапазонной НАП с использованием узкополосных радиосигналов 1600 МГц и1250 МГц для исключения ионосферных погрешностей измерений. Но при двухдиапазонном измерении псевдодальности значительно возрастут шумовые погрешности и погрешности из-за многолучевости по сравнении с однодиапазонной НАП (1600 МГц). На динамичных объектах с недетерминированной моделью движения (T0=1 с) нецелесообразно применять двухдиапазонные узкополосные навигационные радиосигналы 1600 МГц и 1250 МГц для определения координат объекта, поскольку в этом случае , как было показано выше:

  1. шумовые погрешности псевдодальности до пригоризонтного НКА составят s (S2) = 12...22 м, т.е. превысят ионосферные погрешности измерений в однодиапазонной НАП в худший сезон (зимний день);
  2. погрешности псевдодальности до пригоризонтного НКА, обусловленные многолучевостью, составят s (S2) = 9 м (в худшей ситуации), т.е. будут соизмеримы с ионосферными погрешностями в однодиапазонной НАП в худший сезон (зимний день).

На малодинамичных наземных объектах целесообразно применять двухдиапазонные узкополосные навигационные радиосигналы, поскольку в НАП на малодинамичных объектах можно длительно осреднять результаты измерений (T0=30 c) и снижать до необходимого уровня шумовые погрешности псевдодальности и погрешности из-за многолучевости.

 

НАЗАД

Содержание

ВПЕРЕД

Реклама: Термоклеевые машины timelt.ru.