Влияние моделей ионосферы и дифференциальных кодовых задержек на точность координатного решения потребителей ГЛОНАСС

А. А. Аржанников, В. Д. Глотов, В. В. Митрикас

ИАЦ КВНО АО «ЦНИИмаш», г. Королёв, Россия

Целью данной работы является оценка улучшения точности местоопределения ГЛОНАСС при использовании различных моделей ионосферы, а также межсигнальных C1C-C1P [1] и межчастотных C1P-C2P [1] дифференциальных кодовых задержек (англ. DCB – differential code bias). При этом использовались измерения всех навигационных сигналов ГЛОНАСС на частотах L1 и L2, формируемые коммерческими навигационными приемниками. Задержки АФНС (задержки в аппаратуре формирования навигационного сигнала), передаваемые потребителям в навигационных сообщениях ГЛОНАСС, существенно отличаются от наблюдаемых значений, однако в обозримом будущем планируется периодический пересчет задержек по измерениям Российских сетей станций и передача в кадре уточненных значений. Актуальность работы обусловлена тем, что позволяет заранее спрогнозировать эффект от планируемого нововведения. Для данной цели было проведено исследование по обработке реальных данных 300 глобально распределенных беззапросных измерительных станций (БИС) на 8-суточном интервале в январе 2023 г.

По оценкам ИАЦ КВНО погрешность задержки АФНС в кадре ГЛОНАСС значительно выше в сравнении с другими ГНСС (среднеквадратичные погрешности более 0.5 м для ГЛОНАСС и менее 0.1 м для остальных ГНСС) [2], поэтому существует потенциал улучшения точности местоопределения за счет уточнения данных задержек. Задержки DCB являются медленно меняющимися величинами (для примера, у КА GPS пересчет задержек в кадре происходит примерно раз в 3–4 месяца, у КА BeiDou — раз в месяц). В работе схематично представлена методика уточнения межсигнальных C1C-C1P и межчастотных C1P-C2P задержек АФНС ГЛОНАСС с помощью моделирования локальной ионосферы. Из-за литерной зависимости ГЛОНАСС необходимо наличие эталона, в качестве которого использовался приемник SU04 ВНИИФТРИ [3]. С помощью описанной методики были получены значения задержек DCB за 24-31 января 2023г. для эксперимента.

Совместно с расчетом задержек DCB в ИАЦ КВНО ежедневно происходит расчет глобальных карт полного электронного содержания (ПЭС, англ. TEC — Total Electron Content) в ионосфере [2, 4]. Глобальные карты ионосферы по расчетам ИАЦ КВНО публикуются в файлах формата IONEX [4], доступна статистика за последние 5 лет. На 24.01.2023 проведен расчет оценки точности глобальных ионосферных карт ИАЦ КВНО относительно карт трех центров анализа международной службы ГНСС IGS: СКО по всей территории Земли ~0.6 м, над материками ~0.5 м. Для сравнения, карты центров IGS согласуются друг с другом с СКО 0.5–0.7 м, СКО модели Клобучара из кадра GPS ~2.1м, среднесуточная вертикальная ионосферная задержка ~5.6 м. Используя глобальные карты ПЭС ионосферы, в ИАЦ КВНО ежедневно происходит оценка вклада ионосферы в псевдодальность КА, затем с учетом геометрического фактора (PDOP) пересчет в пространственные карты распределения вклада ионосферной ошибки в точность местоопределения потребителей, использующих одночастотные сигналы ГНСС [5]. Представлены результаты расчета за последний год. В частности, за 24.01.2023 среднесуточный вклад ионосферы в точность GPS составил 2.6 м по территории России, 4.8 м глобально; для ГЛОНАСС 2.7 м по территории России, 5.7 м глобально. Среднесуточная глобальная ионосферная ошибка выше российской за счет высокой активности ионосферы на экваториальных широтах, а также за счет соотношения PDOP ГЛОНАСС (глобальный ~2.0, по России ~1.8).

В рамках данного исследования в ИАЦ КВНО была проведена экспериментальная оценка фактического влияния моделей ионосферы и задержек DCB на точность координатного решения потребителей ГЛОНАСС, в которой использовались данные 300 БИС (250 глобально распределенных станций сети IGS и 50 станций сети Госкорпорации «Роскосмос» преимущественно на территории России), расчет проводился на 8-суточном интервале 24–31 января 2023 г. Использовались только кодовые измерения, калибровка приемников не проводилась, применялись расчетные значения задержек DCB КА ГЛОНАСС, полученные с помощью калиброванного приемника SU04, а также глобальная карта ПЭС ионосферы ИАЦ КВНО и ионосферная модель Клобучара из кадра GPS. В качестве опорных координат БИС для оценок точности использовались высокоточные координаты станций с погрешностью не более нескольких сантиметров. Относительно них рассчитывались среднеквадратичные погрешности координатных решений по каждой станции глобальной сети. Вклад каждого фактора рассчитывался в предположении, что суммарная погрешность — пространственная и вычисляется как корень суммы квадратов составляющих.

В базовом расчете (при полном неучете ионосферы и задержек DCB) точности местоопределения ГЛОНАСС для измерений C1C и C1P (в обозначениях RINEX-3 [1]) получились примерно одинаковыми (среднеквадратичные погрешности по России ~7.2 м, глобально ~9.0 м).

Улучшение точности (базового расчета) для одночастотного сигнала C1C ГЛОНАСС за счет учета межсигнальных задержек C1C-C1P составило 2.2 % по России, 3.7 % глобально (вклад ~ 1.9 м). При расчете к штатным частотно-временным поправкам (ЧВП) КА ГЛОНАСС были прибавлены межсигнальные C1C-С1P задержки DCBC1C-C1P, SU04.

Улучшение точности (базового расчета) для одночастотного сигнала ГЛОНАСС за счет корректных межчастотных C1P-C2P задержек АФНС составило 13.2 % по России (вклад ~3.6 м), глобально 6.8 % (вклад 3.2 м). В расчете предполагалось, что ЧВП в кадре ГЛОНАСС привязаны к C1P, но содержат ошибку паспортных значений АФНС, поэтому при использовании одночастотного сигнала C1P к ЧВП была применена коррекция 1.53 x (DCBC2P-C1P, SU04 – TАФНС ).

Улучшение точности (базового расчета) для одночастотного сигнала за счет использования ионосферных поправок составило для ГЛОНАСС с использованием карт ИАЦ КВНО: по России 16 % (вклад 4 м), глобально 34 % (вклад 6.8 м); для ГЛОНАСС с использованием модели Клобучара: по России 5 % (вклад 2.3 м), глобально 26 % (вклад 6 м). Аналогичный расчет для GPS с использованием карт ИАЦ КВНО: по России 56 % (вклад 3.9 м), глобально 62 % (вклад 4.8 м); для GPS с использованием модели Клобучара: по России 4 % (вклад 1.9 м), глобально 24 % (вклад 3.3 м).

Для оценки теоретически достижимой точности одночастотного приемника был проведен расчет за тот же период для калиброванного приемника SU04 (шумовые погрешности на каждой частоте ~0.2 м) и смоделированной штатной ЭВИ ГЛОНАСС на основе апостериорной ЭВИ ИАЦ КВНО, привязанной к измерениям C1P SU04, использовались только двухчастотные КА ГЛОНАСС (PDOP ~2.48). В одночастотном режиме C1P с учетом модели ионосферы ИАЦ КВНО погрешность координат SU04 составила ~1.2 м, в двухчастотном режиме C1P-C2P ~1.5 м. При полной двухчастотной орбитальной группировке ГЛОНАСС (PDOP ~1.9) в январе 2023г. теоретически достижимая пространственная погрешность координат C1P ГЛОНАСС идеального приемника с нулевыми шумовыми погрешностями составила бы ~0.8 м за счет ошибок моделирования ионосферы.

Литература

1) RINEX. The Receiver Independent Exchange Format Version 3.05. International GNSS Service. URL: https://files.igs.org/pub/data/format/rinex305.pdf (дата обращения 01.03.2023).

2) Аржанников А. А., Глотов В. Д., Митрикас В. В. Вычисление дифференциальных кодовых задержек и построение карт ионосферы с помощью ГНСС // Труды ИПА РАН. 2022. Вып. 60. С. 3–11 URL: https://www.glonass-iac.ru/about/publications/detail.php?ID=4023 (дата обращения 01.03.2023).

3) Митрикас В. В., Скакун И. О., Аржанников А. А., Федотов В. Н. Применение калиброванного навигационного приемника для оценки погрешности измерения за счёт космического сегмента (SISRE) ГЛОНАСС // Альманах современной метрологии. 2021. № 2 (26). С. 79–103.

4) Раздел «Ионосфера» на сайте ИАЦ КВНО АО ЦНИИмаш [Электронный ресурс]. URL: https://www.glonass-iac.ru/iono/ (дата обращения: 01.02.2023).

5) Аржанников А. А., Глотов В. Д., Митрикас В. В., Свиридов А. С. Влияние ионосферы на точность координатного решения потребителя, построение глобальных карт ионосферы по беззапросным измерениям ГНСС // 26-я Международная научная конференция «Системный анализ, управление и навигация». 2022. https://www.glonass-iac.ru/about/publications/detail.php?ID=4000