ПОВЫШЕНИЕ ЭФФЕКТИВНОСТИ ПЕРЕДАЧИ ДАННЫХ ПРИ СПУТНИКОВОМ МОНИТОРИНГЕ ВОЗДУШНЫХ СУДОВ


Цитировать

Полный текст

Аннотация

Спутниковые системы - один из наиболее распространенных методов отслеживания различных объектов по всему миру. Существуют различные виды спутниковых систем различного назначения, но их общей чертой является передача данных посредствoм радиосигналов. Атмосфера нашей планеты неоднородна, и каждый ее слой имеет ряд характеристик, которые затрудняют передачу данных, а в случае недостаточной мощности передачи - попросту делают невозможным. Следовательно, необходимо наличие методов и алгоритмов, ко- торые смягчали бы воздействие атмосферы на сигналы устройства мониторинга воздушных судов. В частно- сти, главной причиной погрешности при определении местоположения является слой ионосферы. Для спутни- ков Iridium, осуществляющих прием сигналов от модуля Iridium 9602 с частотой 1616-1625,5 МГц, влияние ионосферы будет заключаться в изменении мощности сигнала из-за неоднородности заряженных частиц. Представлен расчет потерь в свободном пространстве при передаче данных местоположения через транси- вер Iridium 9602 на высоты 450, 500 и 600 км. Предлагаемый для применения метод основан на моделировании текущей карты полного электронного со- держания ионосферы. На основе модели вносится коррекция при определении местоположения объекта мо- ниторинга. На сегодняшний день существуют несколько центров, осуществляющих расчет полного электрон- ного содержания ионосферы. Результаты расчетов находятся в свободном доступе. Таким образом, имея исходные данные, полученные по картам полного электронного содержания ионосферы, и алгоритм для кор- рекции, можно осуществлять поправку данных при решении задачи навигации. Конкретно, предлагается ис- пользовать модель GEMTEC, исходными данными для которой является карта полного электронного содер- жания атмосферы.

Полный текст

Introduction. Satellite systems have found their proper place among modern communication systems. In these systems, the satellite is used as a relay station. These systems are divided into several types depending on the available equipment and the orbit altitude. Depending on the constellation configuration and currently performing hardware, the system can retransmit instantaneously or with a certain delay, if a memory module is available [1; 2]. However, the common feature of these systems is data transmission in the form of information packages. At present, there is a number of systems using low-orbit sat- ellites. The most common of them are “Iridium”, “Global- star” and “Gonets”. The difference between these systems lies in the number of satellites used and the implementa- tion of the constellation configuration. The “Iridium” sys- tem is of the greatest interest, as its coverage is almost 100 %, which is most preferable for aviation monitoring purposes [2; 3]. Monitoring of moving objects is essential for search and rescue activities; quick location of aircraft crash site allows not only to save human life, but also to significantly reduce the cost of rescue operation. How- ever, the use of any satellite system presents certain chal- lenges, for instance, ensuring the reliability of data trans- mission. The main factors affecting the reliability are natural and technical. Natural factors are the influence of the atmosphere and other natural effects. Technical fac- tors are mainly the malfunction of equipment and incor- rect decoding. There is a need to eliminate errors and mis- takes and provide a balanced transmission line “Aircraft - Iridium - Earth” with a sufficient supply of power poten- tial for transmission. Technical factors and ionospheric effects. Malfunc- tion of the computer or of the installed program is the on solar activity and location. The density of ions in the atmosphere is non-uniform, which makes it impossible to calculate the precise effect. In case of the “Iridium” sys- tem the frequency range of which is within the L-band, ionospheric effects considerably influence the search of the satellite location [6]. Tropospheric effects. Troposphere is the layer of the atmosphere at altitudes up to 10 km above sea level. It is mainly this layer causes attenuation of the signal due to the existence of the effect called “eye of troposphere”, namely presence of water vapour, rain and clouds causing the attenuation [6]. “Iridium” power calculation. “Iridium 9602” trans- ceiver is used for data transmission to satellite. The trans- ceiver is a part of the device being developed under surveillance of the Ministry of Emergency Situations, “Iridium” is a series device using GPS technology [7-9]. Further technical calculations and solutions of the above- mentioned problems related to ensuring the reliability of the transmission for devices of this type will also be cited. Since the calculation of power characteristics involves numerous variables caused by nonuniformity of the at- mosphere, we will regard it as uniform, and the effect of the Earth as negligible. Then the total feeder loss will not exceed 2 dB. The following two basic equations describe the power balance. Equivalent isotropically radiated power [10; 11]: э п п н P = G * +10 lg(P h ) , (1) where Pп is the power of the transmitter; ηн is the power transmission coefficient of the transmitting station feeder path; Gп* is the gain of the transmitting antenna in dB. The quality factor of the receiving station [11; 12]: major factor that influences the reliability of data trans- mission. Modern systems, such as “Iridium”, use a variety of protocols for data transfer; that requires the use of G = G* T ПР +10 lg TS , (2) high-volume programs for protocol decoding. Generally, the solution of this problem is installation of advanced software with incorporated security and control systems. The effects are caused by the presence of charged parti- cles, namely ions in the atmosphere. These particles cause signal delay [3-5]. The extent of delay varies depending where TS is the total equivalent noise temperature of the ПР receiving station reduced to the antenna input; G * is the receiving antenna gain in dB. These two expressions fully characterise the communication line. Accordingly, the frequency attenuation lines appear as in the following figure. Frequency characteristics of attenuation in the atmosphere Частотные характеристики затухания в атмосфере These expressions determine the main performance characteristics of the equipment, specifying the potential power reserve for data transmission [12]. For the monitor- ing device developed under supervision of the Ministry of Emergency Situations, the loss figures in different satel- lite orbits are given in table, assuming that the transmis- sion power of “Iridium 9602” transceiver equals to 1 dB·W; that was calculated using the equation [12; 13]: PП = hн × РВ . (3) Space loss of “Iridium9602” transceiver Iridium 9602 r, km L, dB 450 -149.93 500 -150.85 600 -152.43 Error reduction methods. The use of the GEMTEC model is one of the solutions. The method is based on application of natural orthogonal functions, the source data of which is in the distribution of electronic data loss coefficient in the atmosphere [13]. This method involves the consideration of variables and their complete account for the navigation system. The variables’ values are transmitted together with the message; further corrections are made by the appropriate algorithm at least once every 6 days. Let us consider the main equations of this method. Let N be a set of measurements for ƒ (n, x) value, depend- ing on a set of factors. In each set, the variable x takes a certain value, and other factors are taken as constants. The expansion for each set takes the form of the equation [14]: P = Pr + ФL1 , (6) 2 where Pr is the value of pseudo-range; ФL1 is the phase range of carrier frequency L1. In this equation the com- bined measurement no longer depends on the ionospheric delay and shows the noise level. However, there is a drawback code measurement errors considerably affect the final results. This method is preferable in real- time mode or in the processing of already obtained data [15]. Conclusion. With allowance for the operation of transmitting and receiving equipment in balanced radio link, the average deviation of the object’s positioning data will have an error of ±50 m. With the use of error mitiga- tion techniques, errors in the data on the Earth artificial satellite’s actual position will be less in value. The reli- ability of the data will be higher due to the minimum of losses in information packages and shorter delay time on the “Satellite-Aircraft” link. Together with the application of GEMTEC method, deviations will be ±5 m. It is possi- ble to minimise losses and delays using the offered opera- tional model, allowing for the use of additional differen- tiation algorithms to make the model work in real- time mode. The graphic method is more suitable for research analysis of the data already available. References 1. Abolits A. I. Sistemy sputnikovoy svyazi. Osnovy strukturno-parametricheskoy teorii i effektivnost’ [Satel- lite communication systems. Fundamentals of structural- parametric theory and efficiency]. Moscow, ITIS Publ., 2004, 426 p. 2. IRIDIUM. Uslugi peredachi dannykh kompanii Iridium. Belaya kniga. Versiya 1.1.2 [IRIDIUM. Data transmission services of “Iridium”. White Paper. Version 0 i n n f (x) = åbi i=1 yi (x) , (4) 1.1.2] (In Russ.). Available at: http://iridium.steccom.ru/ wp-content/uploads/2012/09/Iridium-Data-Services-White- Paper-11.1.2_RU.pdf (accessed 15.04.2016). where yi (x) are natural orthogonal functions identical for i i all datasets, and b n are expansion coefficients that charac- terise the dataset of n number and independent of x. The coefficients b n supply the values of all factors except the x factor. The system of orthogonal functions in general can be found by means of matrixes, under condition Ayi = li yi , where yi are orthogonal functions and A is a matrix size of k0*k0 [14]: ì N n n ü 3. Lazarev A. I., Nechaev E. E. [Status and develop- ment of satellite communication and navigation systems]. Nauchnyy vestnik Moskovskogo gosudarstvennogo tekhnicheskogo universiteta grazhdanskoy aviatsii. 2010, No. 159, P. 32-43 (In Russ.). 4. Multi-Link Iridium Satellite Data Communication System. Available at: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/ download?doi=10.1.1.129.3230&rep=rep1&type=pdf (accessed 17.04.2016). 5. Error Sources. Available at: http://www.novatel.com/an-introduction-tognss/chapter-4- ì åN A = {Aкр} = íå fk î n=1 N f n f n å f n f n f p ý = þ N å f n f n ü gnss-error-sources/error-sources/ (accessed 17.04.2016). 6. Hutorova O. G. Zondirovanie atmosfery i ionos- fery radiosignalami sputnikovykh navigatsionnykh system ï 1 1 1 2 1 k0 ï [Sounding of the atmosphere and ionosphere with radio ï n=1 n=1 n=1 ï signals of satellite navigation systems]. Kazan, Kazan = í ... ... ... ý . (5) Federal University Publ., 2011, 117 p. å ï f å f n=1 þ ï N N N ï f f k 1 f n n n n î n=1 0 n n k0 2 n=1 å fk0 k0  7. Tanjila F. Performance Analysis of Low Earth Orbit (LEO) Satellite Link in the presence of Elevation Angle, Fading, And Shadowing. Bangladesh, BRAC The second method to be analyzed here is a graphic method. This method implies using root mean-square values of the carrier and the code. When we add the aver- aging of the code range and carrier phase, the main equa- tion takes the form [15]: University Publ., 2009, 66 p. 8. Zaharov F. N., Krutikov M. V. [Comparison of ac- curacy of navigation signal time delay in different models of refractive index vertical profile]. Doklady Tomskogo gosudarstvennogo universiteta system upravleniya i ra- dioehlektroniki [Reports of Tomsk state university of con- trol systems and radio electronics]. Tomsk, TUSUR, 2014, P. 7-12 (In Russ.). 9. Kacura A. V., Akzigiov A. R., Andronov A. S., Strokov D. E. et al. [Development of onboard device for aircraft satellite monitoring]. Vestnik SibGAU. 2016, Vol. 17, No. 1, P. 125-130 (In Russ.). 10. Tsisar L. [The best satellite communication expands standards]. Tekhnologii i sredstva svyazi. 2008, No. 64, P. 40-42 (In Russ.). 11. Iridium 9602 SBD Transceiver Developer’s Guide. Revision 6.0. Available at: http://nearspace.ru/ doc/Iridium-9602-SBD-Transceiver-Product-Developers- Guide.pdf (accessed 18.04.2016). 12. Dorezyuk N. I. [Recommendations for the choice and operation of feeders]. INFORMOST - radioelek- tronika i telekommunikatsii. 2002, No. 5(23), P. 1-8 (In Russ.). 13. Bylinin K. E., Gorbachev O. A., Ivanov V. B., Gefan G. D. [Global empirical model of ionospheric error correction in satellite navigation systems]. Nauchnyy vestnik MSTU CA. 2011, No. 171, P. 151-156 (In Russ.). 14. Najman P. Nature of the GNSS ionospheric error and modeling of mid-latitudes ionospheric structures in relation to the space weather. Kvalifacijski Doktorski Ispit, August 2012. 15. Ivanov V. B., Gorbacev O. A., Gefan G. D. The GEMTEC Model: Assessment of Quality of Ionospheric Correction in Satellite Radio Navigation Systems. Con- sumer Electronics Times. 2012, Vol. 1, No. 3, P. 43-46.
×

Об авторах

А. Р. Акзигитов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Email: aakzigitov88@mail.ru
Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

А. С. Андронов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Р. А. Акзигитов

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

В. В. Перемышленников

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Д. В. Дмитриев

Сибирский государственный университет науки и технологий имени академика М. Ф. Решетнева

Российская Федерация, 660037, г. Красноярск, просп. им. газ. «Красноярский рабочий», 31

Список литературы

  1. Аболиц А. И. Системы спутниковой связи. Ос- новы структурно-параметрической теории и эффек- тивность. М. : ИТИС, 2004. 426 с.
  2. IRIDIUM. Услуги передачи данных компании Iridium. Белая книга. Версия 1.1.2 [Электронный ре- сурс]. URL: http://iridium.steccom.ru/wp-content/uploads/ 2012/09/Iridium-Data-Services-White-Paper-11.1.2_RU.pdf (дата обращения: 15.04.2016).
  3. Лазарев А. И., Нечаев Е. Е. Состояние и разви- тие спутниковых систем связи и навигации // Науч- ный вестник Московского государственного техниче- ского университета гражданской авиации. 2010. № 159. С. 32-43.
  4. Multi-Link Iridium Satellite Data Communication System [Электронный ресурс]. URL: http://citeseerx.ist.psu.edu/viewdoc/download?doi=10.1.1.129.3230&rep=rep1&type=pdf (дата обращения: 17.04.2016).
  5. Error Sources [Электронный ресурс]. URL: http://www.novatel.com/an-introduction-to-gnss/chapter- 4-gnss-error-sources/error-sources/ (дата обращения: 17.04.2016).
  6. Хуторова О. Г. Зондирование атмосферы и ио- носферы радиосигналами спутниковых навигацион- ных систем. Казань : Изд-во Казан. федер. ун-та, 2011. 117 с.
  7. Tanjila F. Performance Analysis of Low Earth Or- bit (LEO) Satellite Link in the presence of Elevation An- gle, Fading, and Shadowing. Bangladesh : BRAC Univer- sity publ., 2009. 66 p.
  8. Захаров Ф. Н., Крутиков М. В. Сравнение точ- ности времени задержки навигационных сигналов при использовании различных моделей высотного профи- ля индекса преломления // Доклады Томского госу- дарственного университета систем управления и ра- диоэлектроники. 2014. № 2 (32).C. 7-12.
  9. Разработка бортового устройства спутникового мониторинга воздушных судов / А. В. Кацура [и др.] // Вестник СибГАУ. 2016. Т. 17, № 1. С. 125-130.
  10. Цисар Л. Лучшая спутниковая связь расши- ряет стандарты // Технологии и средства связи. 2008. № 64. С. 40-42.
  11. Iridium 9602 SBD Transceiver Developer’s Guide. Revision 6.0 [Электронный ресурс]. URL: http://nearspace.ru/doc/Iridium-9602-SBD-Transceiver- ProductDevelopersGuide.pdf (дата обращения: 18.04.2016).
  12. Дорезюк Н. И. Рекомендации по выбору и эксплуатации фидеров // ИНФОРМОСТ - радиоэлек- троника и телекоммуникации. 2002. № 5(23). C. 1-8.
  13. Глобальная эмпирическая модель коррекции ионосферной погрешности спутниковых навигацион- ных систем / К. Е. Былинин [и др.] // Научный вестник МГТУ ГА. 2011. № 171. С. 151-156.
  14. Najman P. Nature of the GNSS ionospheric error and modeling of mid-latitudes ionospheric structures in relation to the space weather. Kvalifacijski Doktorski Ispit. 2012.
  15. Ivanov V. B., Gorbacev O. A., Gefan G. D. The GEMTEC Model: Assessment of Quality of Ionospheric Correction in Satellite Radio Navigation Systems // Con- sumer Electronics Times. 2012. Vol. 1, № 3. P. 43-46.

Дополнительные файлы

Доп. файлы
Действие
1. JATS XML

© Акзигитов А.Р., Андронов А.С., Акзигитов Р.А., Перемышленников В.В., Дмитриев Д.В., 2018

Creative Commons License
Эта статья доступна по лицензии Creative Commons Attribution 4.0 International License.

Данный сайт использует cookie-файлы

Продолжая использовать наш сайт, вы даете согласие на обработку файлов cookie, которые обеспечивают правильную работу сайта.

О куки-файлах