Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
Irkutsk, Russian Federation
GRNTI 29.35 Радиофизика. Физические основы электроники
OKSO 03.04.03 Радиофизика
BBK 22 Физико-математические науки
TBK 613 Физика
TBK 6326 Физика атмосферы
This article explores the possibility of improving the accuracy of positioning in single-frequency satellite radio navigation equipment through the use of an empirical model of the total electronic content GEMTEC. The effectiveness of this model is compared with that of the Klobuchar model, which is recommended for the GPS interface control document. We conducted testing at our observation points, using data from the international network of IGS stations in the GPS system. The use of the international network allowed us to select a long period of time for the testing from 2001 to 2017. As a result, it was shown that the GEMTEC model significantly reduces the average positioning errors as compared to the Klobuchar model. We also demonstrate the possibility of introducing the GEMTEC model and its full-featured use in single-frequency home-class receivers, for example, in the Russian receiver MNP-M7.
GPS, single-frequency receiver, ionosphere models
ВВЕДЕНИЕ
Одним из основных источников погрешностей позиционирования в глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) является дополнительное запаздывание распространения навигационных сигналов в ионосфере Земли. Абсолютные величины этих погрешностей могут составлять единицы — десятки метров. В одночастотных навигационных приемниках для коррекции ионосферной погрешности используются математические модели состояния ионосферы. Выходным параметром таких моделей является полное электронное содержание (total electron content, ТЕС), которое определяет время дополнительного запаздывания распространения навигационных сигналов. В Интерфейсном контрольном документе ICD GPS [Interface Control Document, 2018] для коррекции ионосферного запаздывания рекомендуется использовать ионосферную модель Клобучара [Klobuchar, 1987]. Модель Клобучара позволяет получать значение вертикального ТЕС для заданных географического положения и времени суток с использованием восьми входных коэффициентов, передаваемых с определенной периодичностью в навигационных сообщениях системы GPS. Модель создавалась в виде весьма упрощенной вычислительной схемы с учетом экономии вычислительных ресурсов навигационной аппаратуры. Модель позволяет компенсировать в среднем 50–60 % дополнительного ионосферного запаздывания [Klobuchar, 1986]. Очевидно, что в современных условиях такая точность модели не удовлетворительна. Заметим, что делаются попытки модификации этой модели. Так, работа [Tong et al., 2017] посвящена повышению точности модели Клобучара для условий высоких широт. Вместе с тем существует ряд ионосферных моделей, обладающих более высокой точностью воспроизведения ТЕС, чем модель Клобучара, которые могли бы стать ей альтернативой. Наиболее известна из них Международная справочная модель ионосферы IRI [Bilitza, 1990]. Также популярной является модель NeQuick [Dudeney, 1978], ориентированная на использование в ГНСС GALILEO. Однако обе эти модели изначально воспроизводят вертикальное распределение электронной концентрации Ne. Необходимое для решения навигационной задачи значение ТЕС рассчитывается в них интегрированием распределения Ne по высоте. Такой метод определения ТЕС представляется избыточным в плане затрат вычислительных ресурсов. В настоящее время имеется большое количество экспериментальных измерений ТЕС в различных условиях в разных географических регионах. Поэтому целесообразным представляется создание эмпирических моделей, воспроизводящих непосредственно полное электронное содержание. Две такие модели были разработаны практически одновременно и независимо несколько лет назад. Речь идет о модели NTCM_GL [Jakowski et al., 2011] и созданной авторами данной статьи модели GEMTEC [Ivanov et al., 2011].
Модели NTCM_GL и GEMTEC используют практически один и тот же массив первичных экспериментальных данных, но принципиально различаются методиками обработки этих данных. В модели NTCM_GL первичные данные аппроксимируются некоторым набором математических функций с оптимальным подбором соответствующих коэффициентов. В модели GEMTEC используется разложение исходных данных по естественным ортогональным функциям (метод главных компонент) [Jolliffe, 2002]. Сравнительный анализ этих двух моделей, представленный в [Ivanov et al., 2016], показал преимущество модели GEMTEC. Однако представляется интересным оценить эффективность модели GEMTEC непосредственно при решении навигационной задачи.
1. Bilitza D. International Reference Ionosphere 1990. Lanham, 1990, 156 p.
2. Dudeney J.R. An improved model of the variation of electron concentration with height in the ionosphere. J. Atmos. Terr. Phys. 1978, vol. 40, no. 2, pp. 195-203. DOI:https://doi.org/10.1016/0021-9169(78)90024-7.
3. Interface Control Document, ICD GLONASS CDMA General Description. Edition 1.0. Russian Space Systems. Moscow, 2016, 119 p.
4. Interface Control Document, IS-GPS-200J. 2018, 224 p.
5. Ivanov V.B., Gefan G.D., Gorbachev O.A. Global empirical modelling of the total electron content of the ionosphere for satellite radio navigation systems. J. Atmos. Solar-Terr. Phys. 2011, vol. 73, pp. 1703-1707. DOI:https://doi.org/10.1016/j.jastp.2011.03.010.
6. Ivanov V.B., Gorbachev O.A., Kholmogorov A.A. Comparative quality analysis of models of total electron content in the ionosphere. Geomagnetism and Aeronomy. 2016, vol. 56, no. 3, pp. 318-322. DOI:https://doi.org/10.1134/S0016793216030075.
7. Jakowski N., Hoque M.M., Mayer C. A new global TEC model for estimating transionospheric radio wave propagation errors. J. Geodesy. 2011, vol. 85, no. 12, pp. 965-974. DOI:https://doi.org/10.1007/s00190-011-0455-1.
8. Jolliffe I.T. Principal Component Analysis. New York, Springer-Verlag, 2002, 488 p. DOI:https://doi.org/10.1007/b98835.
9. Klobuchar J.A. Design and characteristics of the GPS ionospheric time-delay algoritm for single-frequency users. Proc. PLANS’86. Las Vegas, 1986, pp. 286-286.
10. Klobuchar J.A. Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems. 1987, vol. 23, no. 3, pp. 325-331. DOI:https://doi.org/10.1109/TAES.1987.310829.
11. Tolman B., Harris R.B. The GPS Toolkit. Linux J. p. 72.
12. Tong Bi, Jiachun An, Jian Yang, Shulun Liu. A modified Klobuchar model for single-frequency GNSS users over the Polar region. Adv. Space Res. 2017, vol. 59, no. 3, pp. 833-842. DOI:https://doi.org/10.1016/j.asr.2016.10.029.
