На сайте GPS World размещена статья, в которой анализируется система Galileo, в том числе проводится сравнение с GPS по различным параметрам. Произведено выполнение одночастотной коррекции ионосферы для спутников Galileo в рамках орбитального тестирования

Не готова к успешному старту. Вот как мы могли бы охарактеризовать европейскую спутниковую навигационную систему Galileo. Официальный старт программы Galileo состоялся 26 мая 2003 года, когда Европейский Союз и Европейское космическое агентство (ESA) официально согласовали первый этап программы (хотя некоторые работы по разработке концепции системы проводились и ранее). Первые два прототипа спутников для развития Galileo - GIOVE-A и GIOVE-B были запущены 28 декабря 2005 года и 26 апреля 2008 года соответственно. На них успешно проверили ключевые технологии, необходимые для развертывания созвездия спутников Galileo.

Пара первых орбитальных тестировочных спутников (IOV) запустили одной ракетой 21 октября 2011 года, третий и четвертый IOV запустили 12 октября 2012 года. Эти два спутника GIOVE и первые два спутника IOV давали возможность использовать Galileo только для приема сырых измерений; для определения местоположения своего приемника необходимо было получать точные орбитальные параметры спутника и данные о точном времени и самостоятельно вычислять свои координаты. Вместе с двумя коллегами я провел исследование (рад сообщить, что это была успешная попытка0: мы использовали двухчастотные данные несущей фазы и псевдодальность, полученные со спутников 17 мая 2012 года. Эти два спутника GIOVE были впоследствии отключены.

Четыре спутника IOV начали передавать навигационные сообщения с действительными эфемеридами в марте 2013 года, что дало возможность первого определения координат наземного приемника в режиме реального времени с помощью широковещательных сообщений утром 12 марта, в Центре навигации Лаборатории Европейского центра космических исследований и технологий в Нордвике, Нидерланды. Определение местоположения включало компенсацию влияния ионосферы на сигналы Galileo.

На пути к приемникам, расположенным на поверхности Земли или вблизи нее, сигналы спутников ГНСС проходят через ионосферу. Свободные электроны, находящиеся в этой оболочке атмосферы, влияют на распространение сигналов, изменяя их скорость и направление движения. Это приводит к задержке в прибытии модулированных составляющих сигналов (из которых впоследствии получают измерения псевдодальности) и в несущих фазах волн сигналов (влияющих на измерения несущей фазы). Ионосфера - диспергирующая среда для радиосигналов, поэтому при одновременном проведении измерений на двух частотах, передаваемых спутником, большая часть влияния ионосферы может быть исключена. Однако одночастотные устройства, такие как большинство навигационных транспортных средств и портативных приемников, не могут позволить себе роскошь. Эти устройства должны полагаться на модели коррекции в одночастотном режиме. Коэффициенты для такой модели включены в навигационные сообщения, передаваемые со всех спутников GPS. Известный как алгоритм коррекции ионосферы или алгоритм Клобухар, он удаляет по меньшей мере 50 % влияния ионосферы в сигналах.

Спутники Galileo также включают параметры NeQuick G. Это новшество команды Galileo.

«Инновация» - главное при обсуждении достижений в области GPS-технологий и их практического применения, а также основ GPS позиционирования. Данная рубрика координируется Ричардом Лэнгли (Richard Langley) из Департамента геодезии и геоинформатики, Университет Нью-Брансуик (Канада). Он приветствует комментарии и новые идеи по этой теме.

Распространение радиоволн сигналов ГНСС зависит от атмосферы Земли и характеристик среды, окружающей приемник. Системы ГНСС основаны на трансляции радиоволн в микроволновой области (в основном все работают в так называемом L-диапазоне, хотя некоторые новые системы, такие как Индийская региональная навигационная спутниковая система, как ожидается, будет вести вещание в S-диапазоне). Эти электромагнитные сигналы могут страдать от ряда помех. При рассмотрении этих эффектов, мы можем разделить атмосферу Земли на две части: электрически нейтральную атмосферу (в первую очередь самую низкую часть - тропосферу), где основной эффект групповой задержки навигационных сигналов происходит из-за частиц водяного пара и газовых компонентов сухого воздуха, который для микроволнового излучения является недисперсным (зависит от частоты); и ионосферу, ионизированную часть атмосферы. Локальное окружение может повлиять на навигационный сигнал различным образом, приводя к созданию препятствий для свободного прохождения сигнала или полной его блокировке (например, растительностью или такими препятствиями, как здания). Сигнал также может рассеяться и стать многолучевым из-за отражения и дифракции на окружающие предметы. В этой статье мы обсудим влияние ионосферы на сигналы ГНСС и решение данной проблемы, предложенное командой Galileo.

Ионосфера обязана своим существованием солнечной радиации. Излучение ионизирует атомы и молекулы в верхних слоях атмосферы, производя огромное количество ионов и свободных электронов (в совокупности известных как плазма). Этот регион является причиной дисперсионного (частотно-зависимого) воздействия на навигационные сигналы. Главным фактором является постоянная задержка псевдослучайных шумов (PRN) в диапазоне кодов, вводящая погрешности в позиционирование и синхронизацию, если не проводится их дополнительная компенсация. Сигналы также восприимчивы к мерцанию - быстрому изменению амплитуды и/или фазы сигналов из-за дифракции и рефракции, вызванной плазменными неоднородностями. Кроме того, ионосфера может искривить путь сигнала, в результате чего изменится его поляризация.

Ионосферное преломление (отношение скорости распространения электромагнитных волн в вакууме к скорости их распространения в среднем) связано с количеством свободных электронов вдоль пути их распространения. Общее содержание электронов (TEC) определяется как электронная плотность в поперечном сечении площадью 1 кв.м., интегрированное вдоль наклонного (или вертикального) пути между двумя точками (например, спутником и приемником). Этот показатель часто выражается в единицах TEC (TECU), где 1 TECU = 1016 электронам на квадратный метр = 0,1624 метров задержки на частоте GPS L1. В зависимости от плотности электронов, природы ионизации и динамике этих показателей ионосфера, подразделена на слои с различными характеристиками: D, E, F1 и F2, причем последний в значительной степени ответствен за ионосферные эффекты для ГНСС.

Все эффекты распространения в ионосфере зависят от ряда факторов, таких как время суток, местоположение, сезон и солнечная активность. Существует также взаимодействие между солнечной активностью, ионосферой и магнитным полем Земли, которое порой может привести к значительным нарушениям стабильности ионосферы, как это происходит во время геомагнитных бурь. Цикл солнечная активности длится примерно 11 лет. Пространственно поведение ионосферы можно подразделить на четыре основных региона: аномалии экваториальных районов, расположенные в пределах ± 15-20º по обе стороны от магнитного экватора, обычно дающие наибольшие значения TEC; регионы средних широт, где дневные значения TEC, как правило, в два раза ниже значений экваториальных; районы полярных сияний, и полярные регионы, которые дают умеренные значения TEC, но с большей изменчивостью, чем в средних широтах из-за постоянного изменения характеристик геомагнитного поля.

Если мы будем игнорировать некоторые более мелкие помехи, используя лишь данные о погрешностях высокого порядка, ионосферная групповая задержка (задержка «группы» волн, составляющих PRN для исходного кода модуляции) может быть выражена в метрах и описана как 40,3sTEC/f2, где sTEC является наклонной к TEC в электронах на кв.м. и рассчитывается по пути прямого распространения между приемником и спутником; f - это несущая частота в герцах. Этот эффект вводит ошибки в измерения сразу на нескольких метров. Условия высших порядков обычно учитывают различия на уровне миллиметра (может возрастать до сантиметра при экстремальных ионосферных возмущениях) и могут быть с уверенностью отброшены для кодового диапазона. Эффект от несущей фазы имеет ту же величину, что и задержка кода, но противоположного знака, а значит несущая фаза увеличивается при распространении через ионосферу. Поскольку задержка группы дисперсионная, его влияние может быть смягчено с помощью линейных комбинаций сигналов на двух отдельных частотах.

Для одночастотных приемников сигналов ГНСС часто предлагаются модели коррекции управления широковещательными данными. Например, на GPS применяется Алгоритм коррекции атмосферы (ICA, также известный как алгоритм Клобухар), который использует восемь коэффициентов вещания для описания ионосферы, которая представлена ​​в виде двумерной модели тонких оболочек (предполагается, что vTEC, расположена в двумерной оболочке на заданной высоте, ее модель основана на аналитической карте или функции наклонения, для преобразования между vTEC и sTEC, в зависимости от угла точки приема сигнала). Эта модель очень эффективна с точки зрения вычислительной сложности, и она, как правило, позволяет исключить более 50 % ионосферной ошибки, особенно в средних широтах.

Galileo и NeQuick G

Galileo предоставляет двухчастотный сервис, позволяющий смягчить влияние ионосферы, но также дает возможности работы и для одночастотных пользователей. Для одночастотных приемников Galileo алгоритм был разработан на основе адаптации для NeQuick модели электронной плотности.

После запуска орбитальных тестировочных спутников Galileo IOV и начала трансляции их навигационных сообщений, впервые появилась возможность проанализировать производительность алгоритма одночастотной коррекции для системы Galileo. Целью этого этапа работы был запуск первых четырех спутников Galileo и развертывание первого варианта совершенно нового наземного сегмента. В рамках этого этапа Европейскому космическому агентству (ЕКА) требовалось проверить операционную среду - весь космический сегмент, наземный сегмент, а также компоненты пользовательского интерфейса. Кроме того, необходимо было выполнить полное развертывание системы, в том числе и проверить одночастотный алгоритм коррекции. Этот этап реализовывался с апреля 2013. Результаты были получены в марте 2014 года, охватив тем самым максимальное количество солнечных циклов, в том числе три дня равноденствия с повышенной солнечной активностью. В этой статье мы представляем результаты работы, показывающие, что алгоритм способен скорректировать более 70 % влияния ионосферы при номинальных ионосферных условиях, используя только наземную инфраструктуру Galileo (четыре спутника, приемники Galileo и станции мониторинга).

Алгоритм. Алгоритм одночастотной коррекции Galileo основан на адаптации трехмерной модели электронной плотности NeQuick, основанной на расчете эффективного уровня ионизации, к тремя транслируемым коэффициентам ионосферы.

Оригинальная модель NeQuick является трехмерной и зависимой от времени. Модель электронной плотности ионосферы основывается на эмпирических климатических представлениях ионосферы. Она включает прогнозы для среднемесячной электронной плотности в зависимости от солнечной активности и других исходных данных: количество пятен на солнце или солнечных вспышек, месяца, географической широты и долготы, высоты и времени. Это позволяет нам вычислять TEC через численное интегрирование плотности электронов вдоль пути между начальной и конечной точками пересечения ионосферы. В качестве примера, можно показать глобальную карту VTEC, полученную на основе данных NeQuick (рис.1). Первая версия этой модели (NeQuick1) была включена в предыдущую версию Рекомендаций МСЭ (Международного союза электросвязи) для оценки TEC для прогнозов распространения радиоволн. Исследователи продолжили разработку модели с обновленными формулировками, и версия NeQuick2 рекомендована МСЭ.

Рис. 1. Карта мира VTEC, полученная на основе модели NeQuick по расчету плотности электронов для 150 дня, 13ч. Гринвичского времени (пространственное разрешение сетки 2,5° × 2,5°).

Модель NeQuick была адаптирована для одночастотных ионосферных поправок Galileo (для удобства, версию для Galileo назвали NeQuick G) для того, чтобы получать в режиме реального времени прогнозы, основанные лишь на одном входном параметре- Az - который определяется с помощью трех коэффициентов, передающихся через навигационные сообщения спутников. Три коэффициента используются для решения полинома второй степени в зависимости от модифицированного показателя падения широты (MODIP). Чтобы определить, Az, который заменяет входной параметр солнечного потока, используется родительская модель NeQuick, определить его можно с помощью следующего уравнения:

Формула 1

где все a являются коэффициентами, представленными в сообщениях спутника. MODIP выражается в градусах. Таблица значений MODIP относительно географического положения объектов предоставляется совместно с алгоритмом. Карта с указанием пяти различных регионов MODIP представлена ​​на рисунке 2.

Рис 2. Регионы MODIP. Изолинии показывают измененные широты.

Производительность алгоритма одночастотной коррекции ионосферы Galileo, позволяет достигнуть не менее 70 % точности, этот показатель был оценен с использованием данных только от GPS и использованием GPS + Galileo In-Orbit спутниковых данных для проверки и автономной оценки параметров вещания.

Первое успешное автономное определения координат при помощи системы Galileo в режиме реального времени состоялось 12 марта 2013 года, навигационные сообщения Galileo были переданы со всех четырех спутников IOV на внешние приемники пользователей; переданные данные включали и ионосферные параметры вещания, определенные по IOV-измерениям.

Период экспериментов и показатели результативности

Для анализа алгоритма одночастотной коррекции ионосферы был использован ряд показателей эффективности:
- Среднеквадратическая ошибка (RMS) ионосферной модели в метрах для задержки кода L1, для одной станции и в один день.
- Относительная способность коррекции, выражается в виде процента к RMS, который определяется как:

Формула 2

где STECref - базовое значение STEC и STECNeQuickG - значение STEC, полученное из модели коррекции Galileo. Коэффициент 66 используется, чтобы увеличить значения небольших абсолютных погрешностей, которые на самом деле в относительном значении являются большими; это связано с целевым значением коррекции - 70 %, с минимальным абсолютным значением в 20 TECU (30 % от 66 TECU составляет как раз около 20 TECU).

Проверка алгоритма охватила период с апреля 2013 по март 2014. Период включал в себя вторичный пик текущего солнечного максимума. В алгоритме использовались данные вещания со спутников Galileo - коэффициенты Az, транслируемые четырьмя спутниками Galileo IOV. Важно помнить, что в период этой оценки инфраструктура IOV не была в полной оперативной готовности, в том числе по отношению к генерации ионосферных параметров: четыре спутника IOV (никакие другие спутники ГНСС не были использованы при оценке) и сокращенное количество станций мониторинга.

Поскольку оценка эффективности коррекции ионосферы может быть сделана независимо от сигналов Galileo и выполнение анализа производительности системы важнее, чем использование лишь независимых данных и местоположений, значение STEC оценивалось с помощью двухчастотных наблюдений GPS на станциях Международной службы ГНСС (IGS), распределенных по всему миру. В итоге наблюдения были произведены по показаниям шести - девяти спутников в каждой эпохе и для более чем 120 станций в сутки, что позволило обеспечить хороший глобальный охват для испытаний. Производительность была вычислена отдельно для каждого набора параметров вещания. В данной задаче различия между GPS и полным созвездием Galileo по геометрии считались незначительными.

В качестве эталона для сравнения использовали данные модели коррекции GPS ICA, с использованием параметров вещания со спутников GPS.

Эталонные значения ионосферы STEC были рассчитаны с использованием двухчастотной несущей фазы наблюдений GPS с IGS станций (с частотой дискретизации 300 секунд) и глобальных карт ионосферы (GIMs), для выравнивания негеометрических значений к комбинации несущих фаз, а также для вычисления неизвестного значения (BI) для каждого витка спутника-приемника:

Формула 3

где LI - линейная комбинация между сигналами на частотах f1 и f2;
??????- задержка ионосферы в метрах по отношению к LI;
BI - состоит из нескольких слагаемых: станция и спутниковые фазовый межчастотный базис ( и соответственно),
LI – неизвестная фаза (λ1N1j - λ2N2j), многолучевость и шум.
i - обозначает станцию, J - спутник.

Затем, для того чтобы вычислить соответствующие значение BI для каждого приемника по непрерывному движению спутника, прогноз sTEC делался по GIM. Оно вычисляется для каждого спутника в ионосферной точке Перигея, а затем и его значения осредняют:

Формула 4

где i, j, и α соответствуют приемнику, спутнику и значению витка соответственно, а среднее значение вычисляется по соответствующему непрерывному витку (α). Значение STEC может быть получена по следующей формуле:

Формула 5

Формула используется для расчета и в качестве точной оценки STEC или «истинного» эталонного значения.

Результаты

Прежде всего, мы ежедневно отслеживали и исправляли ошибки RMS для всех станций. Большинство дней показали очень хорошую производительность. На рисунке 3 можно увидеть различные уровни производительности, результаты для одного «плохого» дня и одного из типичных «хороших» дней. Эксперимент показал, что даже для «плохого» дня, возможность коррекции выше 70% за исключением некоторых станций в экваториальных регионах. И этот показатель возможностей коррекции значительно лучше для «хорошего» дня, с остаточной среднеквадратической ионосферной ошибкой ниже 1,5 метров для L1 даже в низких широтах.

Рис 3а. Выполнение одночастотной коррекции ионосферы Galileo с помощью спутникового вещания E11, в режиме «плохой день» - ошибка RMS в метрах для L1.
Рис 3б. Выполнение одночастотной коррекции ионосферы Galileo с помощью спутникового вещания E11, в режиме «хороший день» - ошибка RMS в метрах для L1.
Рис 3в. Выполнение одночастотной коррекции ионосферы Galileo с помощью спутникового вещания E11, в режиме «плохой день» – возможности корректировки в процентах.
Рис 3г. Выполнение одночастотной коррекции ионосферы Galileo с помощью спутникового вещания E11, в режиме «хороший день» – возможности корректировки в процентах.

Изменение остаточной ошибки RMS для алгоритмов Galileo NeQuick G и GPS ВСА с апреля 2013 года по март 2014 представлена на рис.4. На этом рисунке, отчетливо наблюдается снижение активности ионосферы в дни равноденствий, а также ее рост с октября 2013 по март 2014.

Рис. 4. Глобальная ежедневная остаточная ошибка ионосферы RMS в метрах для L1 после коррекции алгоритмом Galileo NeQuick G (красный) и GPS ICA (синий) с апреля 2013 по март 2014 года.

Остаточная ошибка модели коррекции Galileo уже находится на уровне ожидаемых возможностей для полного созвездия. Этот алгоритм также показывает более высокую производительность по сравнению с моделью ICA GPS, особенно в экваториальных широтах.

Уровень возможностей коррекции каждой станции для модели Galileo NeQuick G и модели ICA GPS представлены на рис.5 для спокойного дня в мае 2013 и активного дня во время весеннего равноденствия в 2014 году.

Рис.5а. Возможности коррекции RMS (в процентах, с нижней границей 20 TECU) для коррекционной модели Galileo NeQuick G для 127 дня, 2013 г.
Рис.5б. Возможности коррекции RMS (в процентах, с нижней границей 20 TECU) для коррекционной модели GPS ICA для 127 дня, 2013 г.
Рис.5в. Возможности коррекции RMS (в процентах, с нижней границей 20 TECU) для коррекционной модели Galileo NeQuick G для 80 дня, 2014 г.
Рис.5г. Возможности коррекции RMS (в процентах, с нижней границей 20 TECU) для коррекционной модели GPS ICA для 80 дня, 2014 г.

Эффективность коррекции позиционирования. Мы провели два анализа для оценки эффективности коррекции позиционирования: один с использованием GPS наблюдений и один только с наблюдениями Galileo. В обоих случаях мы использовали три ионосферных метода смягчения задержки: двухчастотный, зависящий от ионосферы, одночастотный GPS ICA алгоритм коррекции, и одночастотный алгоритм коррекции Galileo NeQuick G.

Производительность алгоритма коррекции по параметру позиционирования с использованием GPS наблюдений оценивали по данными с двух станций: Нордвик в Нидерландах и Малинди в Кении в 172 день 2013 года. Результаты представлены на рисунках 6 и 7. Алгоритм NeQuick G показал хорошие результаты, в частности на низких широтах. Результаты не включают код сглаживания ни для одночастотного, ни двухчастотного позиционирования. Полученные результаты, как и ожидалось, позволяют сделать выводы, что уровень шума для одночастотного позиционирования значительно ниже, чем у зависящего от ионосферы, но значительное смещение все-таки может присутствовать (остаточная средняя ионосферная ошибка).

Рис. 6а. Горизонтальная погрешность GPS позиционирования для L1 с использованием одночастотной коррекции NeQuick G (синий), L1 и GPS ICA (красный) и двухчастотная коррекция, зависящая от ионосферы (зеленый) для среднеширотной станции в Нордвике.
Рис. 6б. Вертикальная погрешность GPS позиционирования для L1 с использованием одночастотной коррекции NeQuick G (синий), L1 и GPS ICA (красный) и двухчастотная коррекция, зависящая от ионосферы (зеленый) для среднеширотной станции в Нордвике.

Рис. 7а. Горизонтальная погрешность GPS позиционирования для L1 и одночастотная коррекция NeQuick G (синий), L1 и GPS ICA (красный) и двухчастотная коррекция, зависящая от ионосферы (зеленый), для низкоширотной станции в Малинди.
Рис. 7б. Вертикальная погрешность GPS позиционирования для L1 и одночастотная коррекция NeQuick G (синий), L1 и GPS ICA (красный) и двухчастотная коррекция, зависящая от ионосферы (зеленый), для низкоширотной станции в Малинди.

Анализ эффективности позиционирования по Galileo-измерениям был проведен с использованием четырех спутников Galileo IOV и применения коррекции NeQuick G. Оценивалась станция в Вашингтоне, округ Колумбия, для 245 дня 2013 года, для показателей E1, Е5а и двойной частоте E1-Е5а для данных, прошедших ионосферную коррекцию. (E1 центрируется на частоте GPS L1, в то время как Е5а центрируется на частоте GPS L5). Эти результаты представлены на рисунке 8. Полученная производительность одночастотного позиционирования считается перспективной с учетом ограниченного количества спутников.

Рис.8а. Горизонтальная погрешность позиционирования спутника Galileo IOV для E1 и одночастотной коррекции NeQuick G (синий), Е5а и одночастотная коррекции NeQuick G (красный) и двухчастотная коррекция E1-Е5а, учитывающая параметры ионосферы (зеленый) для среднеширотной станции в Вашингтоне.
Рис.8б. Вертикальная погрешность позиционирования спутника Galileo IOV для E1 и одночастотной коррекции NeQuick G (синий), Е5а и одночастотная коррекции NeQuick G (красный) и двухчастотная коррекция E1-Е5а, учитывающая параметры ионосферы (зеленый) для среднеширотной станции в Вашингтоне.

Выводы

Производительность одночастотного алгоритма коррекции ионосферы для Galileo на основе модели NeQuick G оценивали с помощью трансляции навигационных сообщений от четырех спутников Galileo IOV, как для определения возможностей коррекции, так и для определения возможностей позиционирования, в период с апреля 2013 года по март 2014 года. Несмотря на сокращенную инфраструктуру (широкоформатные ионосферные параметры оценивались только с использованием спутников IOV на ограниченном количестве станций мониторинга), производительность дает возможности, в частности, для низкоширотных регионов, где ионосфера является более проблематичной и, как и ожидалось, было подтверждено, что качество коррекции коррелирует с солнечной активностью.

Благодарности

Модель электронной плотности NeQuick была разработана в Международном центре теоретической физики Абдус Салам, расположенном в Триесте, Италия, и в университете Граца в Австрии. Адаптация модели NeQuick для одночастотного алгоритма коррекции ионосферы для Galileo (NeQuick G) была выполнена ЕКА при участии разработчиков NeQuick и других европейских ученых, занимающихся проблемами ионосферы в различных проектах ЕКА.

Примечание для производителей

Публикация модели NeQuick G и алгоритма одночастотной коррекции Galileo находится в стадии подготовки для публичного релиза Европейской комиссией.