Глава 2 Аппаратура и методика

 

     2.1 Общие сведения об экспериментах в Апатитах и Мурманске

 

 

Целью эксперимента, проводимого в городе Апатиты, было использование наблюдений полярных сияний, в качестве индикатора погрешностей позиционирования. Для более чёткого выделения физических эффектов, связанных с полярными сияниями и влияющих на распространение GPS - сигнала блокировалась радиовидимость южной части небосвода и навигационный приемник работал с сигналами ограниченного, но достаточного для навигационных целей количества спутников, находившихся в зоне его видимости, то есть со спутниками северной части небосвода. Радиосигналы этих спутников распространялись через ионосферу авроральной зоны и полярной шапки, которая практически постоянно возмущена и меняется лишь степень ее возмущенности.

 Использовался имеющийся в наличии приёмник типа Garmin 18 LVC и программное обеспечение - VisualGPSXP, GPSAnalyzer.

Данные с приёмника записывались непосредственно на компьютер через последовательный порт RS-232, и с помощью программ – VisualGPSXP и GPSAnalyzer обрабатывались. Эксперимент проводился с декабря 2008 года до апреля 2009.

Эксперимент, поставленный в городе Мурманск проводился синхронно с экспериментом в Апатитах с целью проанализировать особенности приёма GPS – сигнала на разнесённых приёмных пунктах в аналогичных геофизических условиях. Приём GPS сигнала в Мурманске проводился с созвездия спутников, выбранных системой из 12 имеющихся в поле зрения ИСЗ. Использовался приёмник типа Garmin 128 и программное обеспечение – VisualGPSXP. В работе используются данные Мурманска, полученные в декабре 2006 г., в марте 2007 г. и в настоящем эксперименте за 13 – 14 марта и 9 – 11 апреля 2009 г.. В результате экспериментов были получены временные ряды.

 

Дата эксперимента	Апатиты GARMIN 18 LVC	Мурманск GARMIN 128
14 - 15.12.2006	-	+
25 - 26.03.2007	-	+
20 – 24.12.2008	+(*)	-
9 – 24.02.2009	+(*)	-
13 – 14.03.2009	+(*)	+(*)
24.03 – 2.04.2009	+(*)	-
10 – 14.04.2009	+(*)	+(*)

 

(Табл.2. Статистика экспериментов).

В таблице 2 представлена статистика проведённых экспериментов в Апатитах и Мурманске.

Условные обозначения:

1. «-» -  эксперимент не проводился

2. «+» - эксперимент с полным обзором небосвода

3. «+(*)» - эксперимент с ограниченным обзором небосвода

 

 

     2.2 Параметры и характеристики приемников GPS сигнала

Технические характеристики	Garmin 18 LVC	Garmin 128
Источник питания	60 мА - 5.0 В.	10-40 В.
Число каналов приемника	12	12
Точность определения координат	15 м.	15 м.
Точность определения скорости	0.05 м/с.	0.05 м/с.
Частота обновления	1 раз/с.	1 раз/с.
Горячий старт	2 с.	2 с.
Теплый старт	15 с.	15 с.
Холодный старт	45 с.	45 с.
Тип антенны	внутренняя	дистанционная антенна с кабелем длиной 9 м.
Интерфейсы	RS-232, NMEA 0183.	NMEA 0183 и RTCM 104
Размеры (ДхВ), (ВхШхТ)	61x19,5 мм.	12,45x16,36х6,1 см.
Вес	161.6 г.	454 г.

(Табл .3 . Таблица сравнения GARMIN 18 LVC и GARMIN 128).

     2.3 Первичные данные GPS – приёмника

 

NMEA («National Marine Electronics Association») — полное название «NMEA 0183» — текстовой протокол связи морского (как правило, навигационного) оборудования между собой. Стал особенно популярен в связи с распространением GPS приёмников, использующих этот стандарт. Данный протокол в настоящее время используют большинство программного обеспечения, предназначенного для синхронизации GPS приёмника с персональным компьютером.

GPS – приёмник имеющий интерфейс NMEA 0183 поддерживает обмен следующими строками:

1. NMEA 0183 версия 3.0:

2. GPGGA — данные о последнем определении местоположения

3. GPGLL — координаты, широта/долгота

4. GPGSA — DOP (GPS) и активные спутники

5. GPGSV — наблюдаемые спутники

6. GPWPL — параметры заданной точки

7. GPBOD — азимут одной точки относительно другой

8. GPRMB — рекомендуемый минимум навигационных данных для достижения заданной точки

9. GPRMC — рекомендуемый минимум навигационных данных

10. GPRTE — маршруты

11. HCHDG — данные от компаса

Собственные строки фирмы Garmin:

1. PGRME — оценка ошибки измерений

2. PGRMM — картографические данные

3. PGRMZ — высота

4. PSLIB — контроль приёма маяков

Для проведения анализа данных, полученных в результате экспериментов нам потребовалось выделить из всего набора данных (см. выше), только лишь 2 строки за каждый момент времени GPRMC и GPGSA.

Пример строки GPRMC:

$GPRMC,191015,A,6734.1577,N,03324.9848,E,000.0,299.3,090409,013.2,E*77

Составляющие данной строки, необходимые для последующих вычислений:

1. 191015 – 19 часов, 10 минут, 15 секунд.

2. А – данные достоверны.

3. Широта 6734,1577, северная (формат GGMM.MM - 2 цифры градусов(«GG»), 2 цифры целых минут, точка и дробная часть минут переменной длины.)

4. Долгота 03324.9848, восточная (формат GGMM.MM).

5. Дата 090409 – 9 апреля 2009 г.

Пример строки GPGSA:

$GPGSA,A,2,,,,,10,,,21,24,,,,3.6,3.5,1.0*35

Составляющие данной строки, необходимые для последующих вычислений:

1. 3,6 – ошибка определения местоположения(Position dilution of precision, 0.5 to 99.9 – PDOP)

 

  2.4 Использованные программы из математического обеспечения GPS

 

Описание программы VisualGPSXP.

Программа VisualGPSXP предназначена для сбора данных, передаваемых в NMEA сообщениях, и отображения их в графическом виде, а также выводит различную информацию, измеряемую приемником GPS. Дополнительно, подсчитывает позицию и выдает оценку ее точности.

Возможности программы "VisualGPSXP":

1. Возможность подключения GPS приемника через последовательный RS-232 порт, либо анализ данных из готового текстового файла данных с различными скоростями воспроизведения.

2. Отображения в «аналоговом» виде показателей высоты, горизонтальной и вертикальной скоростей, направления движения.

3. Графическое представления уровня спутниковых сигналов  и значений угла возвышения и азимута.

4. Усреднение позиции и подсчет статистики.

Системные требования:

Windows 95/98/ME/NT4/2000/XP

GPS приемник:

Любой GPS приемник с поддержкой протокола NMEA 0183

(Рис.5. Информация о качестве принимаемых сигналов с ИСЗ в Дб).

(Рис.6а. Положения видимых на небосводе спутников, рис.6б.Среднее значение определяемой позиции и среднеквадратичное отклонение от этого значения за определённый интервал времени).

 

На рис. 5 представлена информация о качестве сигналов, принимаемых с ИСЗ, выраженная в виде соотношения сигнал/шум измеряемая в Дб, а также порядковый номер каждого из спутников, наблюдаемых в данный момент времени.

На рис. 6а в графическом виде представлена картина расположения спутников на небосводе в определённый момент времени, на которой чётко наблюдаются траектории пролёта каждого из спутников (отмечены зелёной линией), а также номера каждого из них. На рис. 6б в географических координатах представлено среднее значение позиций приемника, среднеквадратичное отклонение, а также реальные отклонения в каждый момент времени.

В результате обработки данных, записанных с GPS – приёмника, с помощью программы VisualGPSXP получаем тестовый файл для дальнейшей обработки.

 

Описание программы GPSAnalyzer (приложение 1)

Программа GPSAnalyzer предназначена для обработки готовых текстовых файлов, получаемых при помощи VisualGPSXP.

Возможности программы “GPSAnalyzer”:

1. Обработка готовых текстовых файлов с различных видов GPS – приёмников.

2. Построение графиков отклонения по широте и долготе в заданный период времени.

3. Построение зависимости параметра PDOP от времени.

4. Создание файлов формата CSV для дальнейшей обработки исходных данных отклонений по широте и долготе, а также параметра PDOP в других программах.

(Рис.7. Графическое отображение ошибки позиционирования по широте и долготе).

(Рис.8. Картина зависимости параметра PDOP от времени).

На рис. 7 графически представлена зависимость отклонения по широте и долготе от времени, выраженная в метрах, с возможностью выбора определённой даты.

На рис. 8 изображена графическая зависимость параметра PDOP от времени.

Описание программы GPSPicking (приложение 1)

Предназначена для выборки из файлов формата CSV(перед обработкой необходимо поменять расширение на .txt) строк с данными через заданный интервал, а также создание нового текстового файла с меньшим количеством первичных данных.

     2.5 Использование данных сети станций Баренцрегиона – IMAGE

 

Система IMAGE, разработанная в Финском метеорологическом институте использует данные 30 магнитометрических станций (рис. 9), геофизических организаций различных стран Баренцрегиона: Эстонии, Финляндии, Германии, Норвегии, Польши, России и Швеции. Сеть IMAGE предназначена для изучения процессов в ионосфере, связанных с ионосферными токами, полярными сияниями и распространением радиоволн. Используя эти данные можно получить: магнитограммы станций на цепочке IMAGE, индексы электроджетов, а также их местоположение в динамике. Магнитометры находятся в высоких широтах от 58 до 79 градусов, что особенно благоприятно для исследования ионосферных токов. Вместе с другими комплексами по наблюдениям (радары, риометры и камеры всего неба), а также спутниковыми наблюдениями – IMAGE является важной частью исследований в высоких широтах в магнитосферной – ионосферной физике. IMAGE также обеспечивает высокое качество данных, полезных для исследования вариаций геомагнитного поля и геомагнитной активности в авроральной зоне.

(Рис.9. Сеть магнитометров Баренцрегиона IMAGE).

 

Магнитограмма.

Графическая запись изменения магнитного поля Земли, получаемая при помощи магнитографа в трёх компонентах. В данной дипломной работе автор делает попытку нахождения зависимости изменения ошибки позиционирования GPS – приёмника от состояния магнитного поля Земли в возмущённый промежуток времени (7).

Индексы электроджетов.

По магнитограммам высокоширотной сети станций можно построить картину эквивалентных токов, текущих в ионосфере, ответственных за то или иное возмущение магнитного поля. Такие токовые системы называют эквивалентными, потому что реальные токовые системы трехмерны. Также в дипломной работе предполагается, что возможно влияние на ошибку позиционирования GPS – приёмника также оказывают и процессы, связанные с токами, текущими в ионосфере. При повышении электронной концентрации и появлении неоднородностей авроральной ионосфере изменяются, как характеристики GPS – сигнала, так и параметры токов в ионосфере и поэтому токи могут служить индикатором изменения GPS – сигнала (1).

Пространственно - временные распределения эквивалентных токов.

Из данных наземных магнетометров могут быть рассчитаны ионосферные эквивалентные токи. Это токи которые проходят только в ионосферной плоскости (взятые на высоте 100 км.). Для наглядности представления зависимости ошибки позиционирования от ионосферных токов, для каждого отдельно взятого случая были использованы графические изображения пространственно временных распределений (в направлении север – юг) эквивалентных токов (7).