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        GBAS對(duì)流層修正模型研究

        2017-09-04 13:18:34張睿
        科技視界 2017年9期
        關(guān)鍵詞:對(duì)流層偽距流動(dòng)站

        張睿

        【摘 要】本文對(duì)RTCA標(biāo)準(zhǔn)中的差分對(duì)流層修正模型進(jìn)行分析與仿真,分別使用差分對(duì)流層修正模型及Hopfield模型在不同流動(dòng)站高度場(chǎng)景下進(jìn)行偽距差分定位仿真試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)了定位精度,初步驗(yàn)證了差分對(duì)流層修正模型的適用性。結(jié)果表明差分對(duì)流層修正模型在高空誤差較大,進(jìn)而導(dǎo)致偽距差分定位精度的下降。

        【關(guān)鍵詞】地基增強(qiáng)系統(tǒng);差分定位;對(duì)流層修正

        【Abstract】This paper study and simulate differential tropospheric correction model in RTCA standards and the pseudo-range differential positioning trials were conducted base on the model of differential tropospheric correction and Hopfield. The position accuracy was calculated and the applicability was verified. The result shows that the accuracy of differential tropospheric correction model were poor at high altitude which degrades the positioning accuracy.

        【Key words】Ground-Based Augment System; Differential positioning; Tropospheric correction

        0 概述

        地基增強(qiáng)系統(tǒng)(Ground-Based Augment System,GBAS)是國(guó)際民航組織推薦的衛(wèi)星導(dǎo)航(Global Navigation Satellite System,GNSS)增強(qiáng)系統(tǒng)之一。GBAS系統(tǒng)利用差分技術(shù),減少系統(tǒng)誤差,提高定位精度。差分技術(shù)基于衛(wèi)星時(shí)鐘誤差、衛(wèi)星星歷誤差、電離層延時(shí)與對(duì)流層延時(shí)所具有的空間、時(shí)間相關(guān)性,利用基準(zhǔn)站接收機(jī)的測(cè)量誤差,校正流動(dòng)站的測(cè)量值,提高流動(dòng)站的測(cè)量、定位精度。

        對(duì)流層誤差是影響GBAS系統(tǒng)精度的因素之一,因此需進(jìn)行對(duì)流層誤差修正模型的研究以降低其對(duì)GBAS系統(tǒng)精度的影響。

        對(duì)流層位于大氣層的底部,其頂部距離地面約40km。對(duì)流層集中了大氣層中99%的重量,其中的氧氣、氮?dú)夂退魵獾仁窃斐尚l(wèi)星信號(hào)傳播延時(shí)的原因。對(duì)流層基本上可以視為一種非彌散性介質(zhì),即它的折射率n與電磁波的頻率無(wú)關(guān)[1]。常用的對(duì)流層修正模型為Hopfield模型[2]。

        2 GBAS對(duì)流層修正方法

        文獻(xiàn)[3]中對(duì)差分模型進(jìn)行了研究,依據(jù)RTCA(Radio Technical Commission for Aeronautics)標(biāo)準(zhǔn)[4]建立差分對(duì)流層修正模型(以下簡(jiǎn)稱差分模型),預(yù)測(cè)和消除地面站和流動(dòng)站之間的對(duì)流層延時(shí)殘差,實(shí)現(xiàn)了流動(dòng)站對(duì)流層延時(shí)的修正。對(duì)流層延時(shí)通過(guò)以下公式進(jìn)行計(jì)算。

        其中NR為折射指數(shù);h0為比例高度;θ為流動(dòng)站的衛(wèi)星仰角;Δh為流動(dòng)站相對(duì)于基準(zhǔn)站的高度差。NR與h0為根據(jù)基準(zhǔn)站所在地大氣特性計(jì)算出的參數(shù),計(jì)算公式分別如下所示:

        3 GBAS對(duì)流層修正方法誤差分析

        差分模型是通過(guò)對(duì)Hopfield模型進(jìn)行化簡(jiǎn)建立的,又由于差分模型的計(jì)算公式中沒(méi)有根據(jù)高度不同區(qū)分干分量與濕分量,故差分模型僅在低空精度良好。為了進(jìn)一步的分析差分模型在不同相對(duì)高度下的模型精度,根據(jù)Hopfield模型建立GBAS進(jìn)近的對(duì)流層修正模型,計(jì)算公式如下:

        其中dP為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,dHd為對(duì)流層干分量高度,h為機(jī)載接收機(jī)高度,dT為溫度,F(xiàn)d為干分量?jī)A斜率,dHumi為濕度,dHw為對(duì)流層濕分量高度,F(xiàn)w為濕分量?jī)A斜率。

        分別使用差分模型和Hopfield模型計(jì)算不同流動(dòng)站高度(5000m、10000m、18000m),不同仰角(10度、30度、60度、90度)下的對(duì)流層延遲值,結(jié)果見(jiàn)表 1。

        可以看出:與Hopfield模型相比,差分模型在5000m時(shí)誤差很小,約為厘米級(jí)別;在10000m時(shí),誤差已經(jīng)達(dá)到分米級(jí);在18000m時(shí),誤差達(dá)到了米級(jí)。該結(jié)果表明差分模型的誤差隨著高度升高而增大,在10000m以上高度時(shí),差分模型引入的誤差量級(jí)足以影響到偽距差分定位精度。

        4 仿真試驗(yàn)

        使用模擬源進(jìn)行偽距差分仿真試驗(yàn):分別使用差分模型和Hopfield模型,在流動(dòng)站高度5000m、10000m、18000m(下轉(zhuǎn)第42頁(yè))(上接第25頁(yè))三個(gè)場(chǎng)景下,進(jìn)行偽距差分定位,統(tǒng)計(jì)定位結(jié)果的精度(2sigma精度),結(jié)果見(jiàn)表 2。

        可以看出在5000m高度時(shí),使用差分模型的差分定位精度在5000m高度較高,在10000m高度精度下降,在18000m高度精度很差。而采用Hopfield模型進(jìn)行的差分定位精度在5000m、10000m、18000m都保持較高精度。該結(jié)果也證明了上節(jié)對(duì)差分模型的分析:差分模型在高空(10000m高度以上)精度較差。

        5 結(jié)論

        本文對(duì)依據(jù)RTCA標(biāo)準(zhǔn)建立的差分對(duì)流層修正模型進(jìn)行了分析與仿真,以Hopfield模型作為參考,考察了差分模型在不同流動(dòng)站高度下的對(duì)流層延時(shí)計(jì)算誤差,并分別采用差分模型和Hopfield模型在不同高度下進(jìn)行偽距差分定位試驗(yàn),統(tǒng)計(jì)定位精度。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明:差分模型的對(duì)流層延時(shí)計(jì)算誤差隨著流動(dòng)站高度增大而增大,在高空(10000m以上相對(duì)高度)誤差較大,進(jìn)而影響到偽距差分定位結(jié)果。本文中對(duì)差分模型適用性的考察,對(duì)研究滿足著陸需求的GBAS系統(tǒng),提供了可借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

        【參考文獻(xiàn)】

        [1]謝剛.GPS原理與接收機(jī)設(shè)計(jì)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2009:85-87.

        [2]H.S.Hopfield.Tropospheric Effect on Electromagnetically Measured Range:Prediction from Surface Weather Data[J].Radio Science,1971,6(3):357-367.

        [3]鄭金華,任小偉.地基增強(qiáng)系統(tǒng)(GBAS)中對(duì)流層修正方法研究[C].//第四屆中國(guó)衛(wèi)星導(dǎo)航學(xué)術(shù)年會(huì)電子文集.北京:Springer出版社,2013:83-88.

        [4]RTCA/DO-253C, Minimum Operational Performance Standards for GPS Local Area Augmentation System Airborne Equipment[S].2008.

        [責(zé)任編輯:朱麗娜]

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