Экспериментальные исследования погрешности измерения псевдодальностей в аппаратуре потребителей навигационной информации с фазированной антенной решеткой

Технологии координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО) по сигналам глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) успешно внедряются в различные области экономики и оборонного комплекса, при этом расширение сферы применения определяет растущие требования к точности КВНО. Федеральной целевой программой «Поддер- жание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012–2020 годы» предусматривается существенное повышение точности эфемеридно-временного обеспечения (ЭВО) навигационных космических аппаратов (НКА) ГЛОНАСС с обеспечением дециметрового уровня погрешности координат [1]. Повышенные требования к погрешности измерения кодовой и фазовой псевдодальности предъявляются в специализированной высокоточной аппаратуре [2–6], работающей по сигналам ГНСС:

• -    приемная аппаратура беззапросных измерительных систем (БИС), используемых в контуре ЭВО ГЛОНАСС;

• –    опорные станции дифференциальной коррекции;

• -    станции мониторинга навигационного поля КНС;

• -    аппаратура частотно-временной синхронизации (АЧВС), обеспечивающая высокоточное воспроизведение эталонной ШВ и опорной частоты по сигналам ГНСС;

На современном этапе развития методов обработки сигналов НКА в навигационной аппаратуре потребителя (НАП), случайная погрешность измерения кодовой псевдодальности по открытым сигналам ГНСС уменьшена до единиц сантиметров [7; 8]. Ионосферная и тропосферная погрешности в ряде высокоточных приложений (геодезическая аппаратура, угломерная НАП, АЧВС), предусматривающих одновременный прием сигналов НКА в нескольких точках пространства и реализацию относительных измерений, в значительной мере компенсируются за счет малых пространственных градиентов данных погрешностей. Для высокоточной НАП, работающей в абсолютном режиме (БИС, АЧВС), компенсация ионосферной погрешности обеспечивается с использованием измерений сигналов НКА в нескольких частотных диапазонах, а также при реализации одночастотных подходов к определению ионосферной погрешности [9–11]. Эффективное уменьшение тропосферной погрешности для этих приложений обеспечивается с применением измерителей метеопараметров, включая радиометры водяного пара, а также при использовании «слепых» моделей тропосферной задержки.

В качестве иллюстрации достигнутого на сегодняшний день уровня погрешности кодовых и фазовых измерений можно привести экспериментальные результаты, полученные на макете высокоточной БИС нового поколения выполненной на основе цифровой антенной решетки.

Структура макета цифровой антенной решетки (МЦАР) приведена на рис. 1. Аналоговая часть МЦАР состоит из 8-ми антенных модулей с подключенными к ним радиотрактами. Сигналы с радиотрактов поступают на АЦП, и далее на цифровую часть макета.

Цифровая часть содержит 12 независимых каналов обработки сигналов L1, L2, ГЛОНАСС. Каждый канал состоит из диаграммообразующей схемы (ДОС) и цифрового канала обработки сигналов.

Диаграммообразующая схема представляет собой весовой сумматор сигналов, поступающих с 8-ми аналоговых трактов. Весовые коэффициенты К1…К8 задаются из вычислителя и формируются исходя из заданной диаграммы направленности. В частности, в режиме высокоточных измерений весовые коэффициенты подбираются так, чтобы скомпенсировать разность хода полезного сигнала между антеннами, т. е. на сумматор полезные сигналы поступают с одной фазой.

Для оценки случайной составляющей погрешности измерений МЦАР по навигационным сигналам НКА использовались разностные методы, в которых оценка случайной погрешности определяется по разности параметров, измеренных на два независимых однотипных устройства, которые синхронизированы от одного стандарта частоты и времени.

ДОС можно сконфигурировать так, чтобы в отдельном канале обработки данных использовалась только часть антенн, для этого нужно для неиспользуемых антенн установить весовые коэффициенты, равные нулю. В частности, можно сделать так, чтобы каждый канал цифровой обработки принимал сигналы с разных антенн, и таким образом получить до 8ми полностью независимых приемных трактов. При этом эти приемные тракты полностью синхронизированы, поскольку работают от единого синтезатора опорных сигналов.

Аналогично, можно создать независимые приемные тракты, которые работают с отдельными антенными решетками, состоящими из 2-х или 4-х антенн. Оценка случайной составляющей погрешности измерений проводится по реальным сигналам НКА. Для оценки СКО случайной составляющей погрешности кодовых измерений формируются выборки между разностями одномоментных одночастотных кодовых измерений МЦАР для каждого диапазона частотного интервалах не менее 30 минут:

Δ S i^j = S 1 ^ji - S 2 ^ji . (1)

где i – номер измерения, j – номер НКА, S – измеренный навигационный параметр.

Случайная составляющая погрешности измерений

N j

σ ^j = N 1 _- 1 ∑ ₌ ( Δ S i^j -Δ S ^j )², (2)

где Δ S ^j – среднее арифметическое параметра (1); N_j – количество измерений в сеансе для j- го НКА.

Эксперимент по сравнению псевдодальностей, измеренных по сигналам с различных элементов антенной решетки. Эксперимент проводился 4–5 марта 2013 г. В нулевой канал приемника подавался суммарный сигнал со всех элементов антенной решетки, с формированием луча в направлении на космический аппарат. Каналы приемника № 1 – № 8 были подключены каждый к одному из элементов антенной решетки А0–А7, соответственно. Все каналы приемника были настроены на прием сигнала ГЛОНАСС с литерой –3.

Конфигурация антенной системы приведена на рис. 2. Траектория космического аппарата в системе координат азимут-угол места приведена на рис. 3.

На рис. 4 и 5 приведена разность фазовых и кодовых псевдодальностей, полученных по сигналам с антенн А2 и А1, усредненная на интервале 30 секунд и угол места НКА. Разность псевдодальностей приведена с учетом компенсации разности хода.

Рис. 1. Структурная схема навигационного приемника МЦАР

Рис. 2. Конфигурация антенной

Рис. 3. Траектория космического аппарата системы

в системе координат азимут-угол места

Рис. 4. Разность фазовых псевдодальностей, измеренных по сигналам с антенн А2 и А1:

– полученная по сигналам с антенн А2 и А1;   – усредненная на интервале 30 с;     – угол места НКА

Рис. 5. Разность кодовых псевдодальностей, измеренных по сигналам с антенн А2 и А1:

– полученная по сигналам с антенн А2 и А1;   – усредненная на интервале 30 с;      – угол места НКА

Таким образом на полном пролете СКО разности фазовых псевдодальностей двух полукомплектов работающих на отдельные антенны составило 4 мм. Погрешность фазовой псевдодальности одного полукомплекта будет в 2 раз меньше и составит 2,8 мм.

Разности кодовых псевдодальностей двух полукомплектов работающих на отдельные антенны составило 10 см. Погрешность фазовой псевдодальности одного полукомплекта будет в 2 раз меньше и составит 7,07 см.

Аналогично были проведены эксперименты в режиме измерений по антенным решеткам, состоящей из двух антенн и четырех антенн.

Кроме того были получены результаты измерений между двумя полукомплектами штатной БИС выпус- каемой серийно МРК-33М. Все результаты испытаний сведены в таблицу.

Эксперимент по определению погрешности многолучевости. Устранение ошибок многолучевости для любых задержек обеспечивается использованием оптимальных алгоритмов, основанных на пространственно-временных различиях основного и отраженного сигналов. В целом, проблема многолучевости стоит весьма остро, ее решению посвящается большое число проводимых в настоящее время исследований.

Постановка задачи эксперимента. В аппаратуре измеряется псевдодальность, измеренная по коду и фазе несущей частоты. Многолучевой прием оказывает различное влияние на кодовые и фазовые измере- ния – погрешность фазовой псевдодальности, вызванная многолучевостью, намного меньше погрешности кодовой псевдодальности. Поскольку сама псевдодальность одна и та же для кодовых и фазовых измерений, то разность кодовой и фазовой псевдодальности будет отражать погрешность многолучевости кодовых измерений.

Погрешности измерения псевдодальностей

Вариант полукомплекта антенной решетки	Погрешность измерения псевдодальности, мм
	ПСВД	Фаза
Одиночные антенны	70,7	2,8
Антенная решетка с двумя антеннами	99,0	1,1
Антенная решетка с четырьмя антеннами	84,0	0,84
Полукомплекты МРК-33	224,6	9,5

В то же время нужно учесть, что фазовая псевдодальность измеряется с точностью до постоянной величины, обусловленной неоднозначностью фазовых измерений в начальный момент времени. Кроме того, ионосферная погрешность для кодовых и фазовых измерений равна по величине и противоположна по знаку. Для устранения ионосферной погрешности используются двухчастотные измерения, а для устранения фазовой неоднозначности – рассматривается приращение разности кодовой и фазовой псевдодальностей.

Задачей эксперимента является сравнение параметра определяемого выражением (3) рассчитанного по ИТНП измеренных аппаратурой МРК-33М и макетом цифровой антенной решетки приемника МРК-37 с 4-х элементной антенной системой в режиме фор- мирования лучей

Z ( CT) = C 1

TrCC ^{C 2} - ^C 1 ) f 1 f 1

L1 -

f 2 ²

f ² - f2

В выражении (3): С1 и С2, кодовые псевдодальности измеренные на частотах f ₁ и f ₂ по коду стандартной точности, единицы измерения метры, L1 и L2, фазовые псевдодальности измеренные на частотах f ₁ и f 2 , единицы измерения метры.

Измерения проводились в период с 16:06 12.11.2012 по 06:00 13.11.2012 (МДВ) в Сибирском федеральном университете. На рис. 6 приведена схема включения.

Рис. 6. Схема включений при проведения эксперимента

На рис. 7 представлены экспериментальные результаты для НКА ГЛОНАСС с совпадающей гринвичской долготой в период наблюдения.

Сравнение результатов расчета параметра Z по формуле (3) на основе ИТНП, полученных аппаратурой МРК-33М и МЦАР показывает существенно более лучшие точностные характеристики аппаратуры МЦАР.

Таким образом, полученные на МЦАР экспериментальные данные позволяют сделать выводы о необходимости применения в новых комплектах БИС антенных решеток, которые позволят наряду с повышением помехоустойчивости обеспечить требования, предъявляемые к новому поколению БИС.

Рис. 7. Параметр Z(CT) для НКА ГЛОНАСС № 9