автореферат диссертации по приборостроению, метрологии и информационно-измерительным приборам и системам, 05.11.15, диссертация на тему:Экспериментальные метрологические исследования аппаратуры пользователей КНС в полете

ГТВ ОД ■

1 1 НОП ШВо На правах рукописи

. Беликов Павел Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АППАРАТУРЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ КНС

В ПОЛЕТЕ

специальность 05.11.15 -"Метрология и метрологическое обеспечение"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Москна

На правах рукописи

Беликов Павел Александрович

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ МЕТРОЛОГИЧЕСКИЕ ИССЛЕДОВАНИЯ АППАРАТУРЫ ПОЛЬЗОВАТЕЛЕЙ КНС

В ПОЛЕТЕ

специальность 05.11.15 -"Метрология и метрологическое обеспечение"

Автореферат

диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

Работа выполнена в Российском Центре по научному обеспечению земельной реформы (РосНИЦ "Земля") при Роскомземе РФ.

Научный руководитель - доктор технических наук,

академик Российской Метрологической Академии Юношев Л.С.

Официальные оппоненты -

доктор технических наук, с.н.с. Масленников А.С,

кандидат технических наук, доцент Климачев К.Г.

Ведущая организация

45 институт Министерства обороны Российской Федерации.

Защита состоится

и /г..

//

1996 г.

час

на заседании диссертационного совета Д 041.02.01 во Всероссийском научно-исследовательском институте физико-технических и радиотехнических измерений, п. Менделееве, Солнечногорского района, Московской области. Телефон: (095) 535-93-85,535-53-01. С Диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ВНИИФТРИ.

Автореферат разослан

(X

19$6 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

А/

Иванова Ю.Д.

1. Общая характеритнка работы

Актуальность темы

Современная космическая навигационная система (КНС) представляет собой группу искусственных спутников Земли с высокостабильными Квантовыми генераторами частоты на борту. Наземный комплекс КНС обеспечивает высокоточное определение координат (эфемерид) спутников и сличение бортовых часов е системной шкалой времени. Со спутников излучаются импульсные сигналы на двух частотах, а также передается информация о моментах излучения сигналов в системной шкале времени и эфемеридах спутников.

Аппаратура пользователей (АП) КНС представляет собой приемник спутниковых сигналов. Прием сигналов от четырех ( и более) спутников позволяет определить три пространственных координаты пользователя и поправку шкалы времени приемника относительно системной шкалы.

В последнее время широко внедряются в практику дифференциальные и относительные Методы определений координат пользователей, даюшие существенное повышение точности по сравнению с абсолютными определениями.

ЕслН абсолютные определения с использованием высокоточного импульсного кода обладают погрешностью в 7 -10 м, то дифференциальные кодовые определения позволяют получить приращения координат с погрешностью 0.2 - 1 м, а относительные фазовые наблюдения имеют погрешность не более 2 - 3 см на расстоянии в сотни километров, т. е. в относительной мере 1*1(Г{ +1*10" И такая точность может быть получена не только в статическом режиме при неподвижных в земной системе координат приемниках, но и в динамике, когда один из приемников установлен на подвижном носителе: автомобиле, теплоходе или самолете. В связи с высокой точностью дифференциальных и относительных КНС-определений перед метрологами возникла проблема создания эталонных средств и методик аттестации и поверки аппаратуры пользователей.

Сравнительно быстро разработана и внедрена в эксплуатацию методика метрологической аттестации АП КНС в статике. В основу методики положен принцип сравнения результатов измерения АП в дифференциальном и относительном режиме с эталонными базисами. Погрешность эталонных базисов, полученных с использованием традиционных методов линейных измерений составляет (1 + 5)10"'.

Значительно сложнее получить эталонную траекторию носителя АП КНС с требуемой точностью. Применяемые в России методики метрологических испытаний АП КНС в дифференциальном режиме в полете основаны на использовании кинофототеодолитной съемки и методов радио- и лазерной локации летательного аппарата. Существенный недостаток этих методов заключается в том, что погрешность определения координат эталонными средствами превышает погрешность определения координат АП в дифференциальном режиме. На сегоднешний день вообще отсутствует методика оценки погрешностей кодово-фазовой аппартуры в относительном режиме в полете.

Таким образом задача поиска эталонных методов и средств, обеспечивающих необходимую погрешность измерений дня аттестации АП КНС в полете является актуальной метрологической проблемой.

Целью диссертационной работы является выбор способов определения образцовых координат летательного аппарата на основе экспериментального исследования погрешностей . АП КНС в дифференциальном и относительном режиме и разработка методики метрологической аттестации кодовой аппаратуры КНС в полете.

Научная новизна работы:

1. Реачизован на практике метод метрологических испытаний кодово-фазовой АП КНС в полете по данным фотограмметрических построений и по многохратным независимым КНС-опредейенияМ. Выполнена экспериментальная оценки погрешностей метода.

2. Разработана программа и методика метрологической аттестации кодо! ,)й КНС аппаратуры в полете с использованием в качестве эталонных средств кодово-фазовых КНС-прнемников.

3. Предложен способ оценки влияния локальных помех приему спутниковых сигналов При выполнении кодовых дифференциальных КНС-опрсделений.

Практическая значимость:

1. Создан и аттестован фотограмметрический полигон для испытаний 1еодезической спутниковой аппаратуры аэрофотосьемочного назначения.

2. Разработана нормативно-техническая документация для поверки спутниковой геодезической аппаратуры, используемой в аэрофотосъемочном производстве (МИ 001 - 48 - 96).

3. Разработана методика и проведены метрологические испытания образцов кодовой КНС - аппаратуры в дифференциальном режиме в полете по данным кодово-фаэовых КНС-определений.

4. Разработаны рекомендации по выбору места установки GPS-антенн на корпусе самолета.

5. Разработана методика оценки величины и флуктуаций задержки импульса открытия фотозатвора (ИОФ) отечественных АФА и выполнены экспериментальные исследования четырех типов фотокамер. Разработана конструкция, изготовлен и испытан опытный образец фотодатчика момента съемки.

Апробация работы:

Основные результаты диссертационной работы обсуждены:

• на 5-ом Российском симпозиуме "Метрология времени и пространства МВП-94", Меделеево, Россия, 1994;

• на научно-практическом семинаре Роскомзема " Опыт формирования земельного кадастра в регионах России", Самара, 1994;

• на региональном семинаре-совещании Роскомзема " Технико -экономическая эффективность использования масштабированных фотоснимков и изготовления кадастровых планов для инвентаризации земель сельских населенных пунктов", Иваново, 1996.

Струю-ура н объем работы:

Диссертация изложена на 139 страницах Машинописного текста, состоит из введения, пяти глав, заключения, приложения, включает 25 рисунков, j6 таблиц, 6 фотографий и список литературы из 72 наименований.

Положений выносимые на защиту

1. По экспериментальным данным средняя квадратическая погрешность (CKtt) определения координат кодовыми OPS-приемниками в дифференциальном режиме в статике в условиях отсутствия локальных помех составляет не более (м):

сгх =0.5+1*10 ~*5»1 ,

tr}, =0.4 + 0.5*10~5«Л, аи= 1.0,

2. Средние квадр;пические значения разностей координат центров фотографирования, вычисленных фотограмметрическими методами и

координат центров фотографирования, полученных относительным кодово-фазовым методом в полете не превышают:

в плане и по высоте - 0.21 м,

СКП координат центров фотографирования, вычисленных по координатам наземных точек не более:

Мх=0,11 м, Му=0.10м, Mh=0,06 м.

3. Среднее квадратическое значение разностей координат, полученных относительным кодово-фазовым методом и кодовым дифферециальным Методом в полете не более:

в плане - 0.60 м, по высоте - 0.43 м-

4. Коэффициент корреляции синхронных абсолютных КНС (GPS)-определений может быть использован как индикатор наличия (отсутствия) помех при выполнении кодовых дифференциальных определений в статике и динамике.

СОДЕРЖАНИЕ ДИССЕРТАЦИИ

Во введсниии обоснована актуальность темы, сформулированы цели диссертационной работы и основные положения, выносимые на защиту.

В первой главе изложены общие сведения о космических навигационных системах - NAVSTAR (США) и ГЛОНАСС (Россия) И приведены сравнительные характеристики систем. По материалам отечественных и зарубежных публикаций рассмотрены общие принципы решения навигационной задачи, заложенные в аппаратуру пользователя КНС, методы использования и основные составляющие погрешностей определения координат в различных режимах эксплуатации. В практических исследованиях кодового дифференциального метода автор использовал теоретические положения, обоснованные проф. B.C. Шебшаевичем.

Вторая глава освещает вопросы метрологической аттестации аппаратуры пользователя КНС. Основой метрологиЧег.'<го обеспечения КНС-измереннй наземной аппаратуры пользователя являются национальные эталоны времени частоты - длины и автономные службы определения параметров вращения Земли стран - владельцев КНС. В качестве рабочих эталонов используются высокоточные наземные базисы в Диапазоне длин От 0.3 м до 4000 км.

Приведено описание выполненных ранее экспериментальных работ По оценке точности кодовой и кодово-фазовой АП, установленной на

. г

самолете. Отмечены исследования РосНИИГА и ЛИИ (Россия), фирмы Sersel (Франция) и других зарубежных организаций.

Показано, что главной проблемой при проведении полетных испытаний является увеличение относительной погрешности эталонных определений координат носителя. Современные оптические средства траекторных измерений могут обеспечить требуемую погрешность только на ограниченном участке траектории. На основании теоретических разработок проф. Б.К. Малявского и к.т.н С.А. Кадничанского и по результатам зарубежных экспериментальных работ сделан вывод о том, что фотограмметрические методы дают погрешность измерений близкую по значению к погрешности КНС-определений и могут быть использованы для метрологических испытаний последних.

В третьей главе рассмотрены способы оценки погрешностей кодовых дифференциальных GPS-определенпн.

Результат синхронных измерений каждого из пары приемников на j-момент времени может быть представлен в следующем виде:

где

qt,q2 - измеренные значения любой из координат на станциях I или 2 соответственно,

Q,,Q, - истинные значения измеряемых величин на станциях 1 или 2,

Аов - общая для всех станции часть погрешности измерений, - частные погрешности измерений на станциях I или 2.

С учетом ограничений, что частные и общие погрешности попарно независимы И все погрешности являются величинами случайными с тулевым математическим ожиданием и дисперсиями, соответственно завиыми aj , rr,2 и о', полные дисперсии (с„) каждого результата тзмерений будут:

При условии, что частные составляющие каждого результата измерения |меют одинаковые дисперсии, г.е rrj =■ а' - ст! , выражение (I) примет пнд = п)п ~ Г', = + о1 (.4)

При таких ограничениях может быть рассчитана величина копарианмн итч результатов синхронных и iMepennfi двух ОГ'.Ч-ирпсмникоп. характеризующая степень зависимости >птх ишерснип :

где:

•М(д,),Л/(?2) - математические ожидания результатов измерений 1-ого и 2-ого приемников;

ЩЧ\Ч2>~ математическое ожидание произведения двух результатов синхронных наблюдений.

На основании соотношений (1) и (4), после некоторых преобразований получено выражение:

«Мад) = а2 (5)

т.е. ковариация двух результатов синхронных измерений равна дисперсии общей части их погрешностей.

В этом случае коэффициент корреляции определится соотношением : г соу(Й?;)__= <6 (6)

Теоретически достаточно трудно выявить общую часть погрешностей измерений, однако по результатам совместных измерений пары однотипных СРБ-приемников возможно провести вычисление коэффициента корреляции синхронных наблюдений. Величина коэффициента корреляции дает возможность определить долю частной погрешности в каждой из погрешностей отдельных ■ измерений в зависимости от условий наблюдений.

Положим, что средние квадратические отклонения частной и общей составляющей погрешности измерения связаны соотношением

ол = К*а. (7)

Тогда коэффициент корреляции может быть представлен в форме:

(8)

Используя коэффициент К, можно вычислить процент я общей части погрешности в полной погрешности, представив его в виде:

а = * 100% = -А-»100% (9)

4 ап 1 + ЛГ

Из теории математической обработки результатов зависимых измерений известно, что оценка точности произвольной линейной функции у двух зависимых результатов измерений вида

может быть получена в соответствии с соотношением:

где: ,

о\ - дисперсия линейной функции результатов измерений, и о^ и о\- дисперсии результатов измерений,

г^ - коэффициент корреляции, характеризующий зависимость

рассматриваемых результатов измерений.

При работе в дифференциальном режиме производится вычисление приращений координат на базисе, т.е.

Л<7 = </, -?> (12)

В этом случае погрешность приращений о^ в соответствии с (11) (при

с; = 1, с, = -!) будет иметь вид

а^ = о^| + <Уя2-2^ая,сг„2 (13)

Если в (13) подставить выражение коэффициента корреляции (8), то , окончательно оно получит вид:

«^ = 20» (14)

Это значит, что общая часть погрешности измерений, являясь случайной по происхождению, по своему действию в синхронных наблюдениях носит систематический характер. Таким образом, погрешность дифференциального режима будет определяться только частными составляющими погрешности каждого из приемников. Этот факт и позволяет при дифференциальном режиме наблюдений получать результаты с большей точностью, чем в абсолютном. Чем меньше доля частных погрешностей и выше коэффициент корреляции между абсолютными определениями двух приемников при прочих равных условиях , тем выше точность дифференциальных измерений.

На основании приведенных выше рассуждений, автором предлагается для характеристики погрешностей ОРБ-измерений в дифференциальном режиме использовать не только среднеквадратические оценки погрешностей каждого из рядов измерений и средние квадратические оценки погрешностей разностей этих измерений, но также и коэффициент корреляции, который дает возможность оценить общую долю погрешностей в каждом из рядов измерений. Эта статистическая числовая характеристика рядов измерений оказывается чувствительной и показательной по отношению к ряду особенностей в Рв-измерений.

Автор провел определение значений коэффициента корреляции (доли частных погрешностей) синхронных абсолютных определений в отсутствии воздействия локальных помех и выполнил оценку изменения коэффициента корреляции при воздействии помех.

Установлено по результатам экспериментом, проведенных в условиях селективного доступа (5/А-оп) в статическом режиме,

• с использованием однотипных кодовых ОРЗ-ирпсмннков, работающих на частоте Ы, модулируемой С/Л -кодом,

• при решении навигационной задачи по одним и юму же созвездию,

• с установкой СРБ-антенны вдали от металлических объектов,

• при удалении между станциями от 20 м до 50 км,

что коэффициент корреляции измерении по каждой оси координат всегда не менее 0.999, это означает, что доля частных погрешностей в общем результате не более 3 СКП кодовых дифференциальных определений в статике (по результатам пост-процессорной обработки накопленных значений текущих навигационных координат каждым приемником) в условиях отсутствия локальных помех составляет (м): Од. = 0.5 + М0~5»£,

ау =0.4 + 0.5«10~5*Л, (15)

<тя=!.0.

Эти значения погрешностей получены методом статических наблюдений текущих координат с последующей пост-процессорной обработкой и не включают погрешностей, возникающих в дифференциальном кинематическом режиме реального времени и связанных с параметрами фильтра Калмана в динамике, а также ошибок передачи данных по радиоканалу с последующей экстраполяцией координат, на момент времени. Но данное выражение характеризует Максимально достижимую точность дифференциального режима и может использоваться для оценки вышеперечисленных дополнительных источников погрешностей.

По сериям экспериментов, проведенным

• с различными типами приемников, работающим по одному и тому же созвездию спутников,

• с однотипными приемниками, работающим по разным спутникам,

• гпн установке вРЯ-антеины (одной или двух станций) вблизи (над или под) металлических объектов,

значение коэффициента корреляции снижается до 0.9 и доля частных погрешностей, в зависимости от условий, увеличивается до 25 %. .

Снижение коэффициента корреляции позволяет не только констатировать ( для проведенных серий экспериментов) взаимную несовместимость приемников разного класса, решение навигационной задачи но различным созвездиям спутников или наличие многолучевости, но и дать количественную оценку влияния данного рода помех. Если принять, а это подтверждается многочисленными экспериментами, что при отсутствии дополнительных внешний воздействий коэффициент корреляции характеризуется величиной 0.999 ( при удалении станции на расстоянии не более 50 км), то любое его уменьшение связано с наличием

дополнительных внешних помех. Этот факт позволяет использовать коэффициент корреляции результатов измерений двух синхронно работающих приемников как шинка гор наличия (или отсутствия) дополнительных помех, воздействующих на один или оба приемника одновременно.

Исходя из этого автор, использовал коэффициент корреляции между абсолютными определениями в качестве показателя качества выбора оптимального, с точки зрения минимизации влияния отраженных сигналов, места и способа установки авиационной GPS-антенны на самолете. В результате проведенных исследований установлено, что дня конкретного типа GPS-приемника и авиационной GPS-антенны в зависимости от места ее установки на фюзеляже одного и того же самолета коэффициент корреляции изменяется от 0.9999 до 0.9500 ( а доля частных погрешностей от 1 до 10 %).

В четвертой главе приведены результаты экспериментальных работ по оценке погрешностей кодово-фазовых относительных GPS-определений в полете на основе фотограмметрических методов. Смысл методики состоит в проведении синхронно с GPS-опредслениями аэрофотосъемки местности с маркированными опознаками и последующем сравнении координат центров фотографирования, полученных в полете с использованием GPS-аппаратуры на момент открытия фотозатвора и координат центров аэрофотоснимков, вычисленных фотограмметрическими методами по наземным опорным точкам.

Источники погрешностей данного метода можно разделить на погрешности определения координат центров фотографирования бортовым комплексом и погрешность определения координат центров фотографирования с использованием наземных точек.

Бортовые источники погрешностей определения координат центров фотографирования включают:

• инструментальные погрешности определения координат фазового центра авиационной GPS - антенны (остаточные ионосферные и Тропосферные ошибки, погрешности разрешения фазовой неоднозначности в полете);

• погрешности определения координат фачошчо центра аниаиионной GPS - антенны, вызванные воздействием переограженных сшналои от металлических поверхностей самолета (эффект многолученосгп);

• погрешности вычисления п динамике элементов редукции фаювого центра антенны и пенфа приклачиои рамки а фрфгиоаппара i:i (ДФА);

» погрешности фиксации момента открытия фотозйтвора АФА;

• погрешности интерполяции координат На момент открытие фотозатвора АФА.

Погрешность определения координат центров фотографирования с использованием наземных точек включает;

• погрешности определения геодезических координат наземных точек;

• погрешности опознавания этих точек на снимке;

• погрешности фотограмметрических обработки;

• методические погрешности вычисления координат центров фотографирования.

В главе описаны пути уменьшения и способы оценки вышеперечисленных погрешностей.

Летно-съемочные эксперименты проводились автором совместно со специалистами ГосНИИГА на специализированном аэрофотосьемочном самолете - лаборатории АН-30 с использованием различных типов двухчастотных кодово-фаэовых GPS-прнемников В относительном режиме. На фюзеляже самолета (вдоль строительной оси) оборудовано три места для установки авиационных QPS-антенн ( далее места установки авиационных антенн обозначаются AN_n, где и-1,2,3). По методике, изложенной в главе 3, в статическом режиме для каждого места и типа GPS-. антенны и GPS-приемника определена доля частных погрешностей И сделай вывод о наличии или отсутствии дополнительных Помех По коду в данной Точке.

В стационарном положении самолета, произведена оценка влияния эффекта мкоголучеаостк на фазовые GPS - определения для каждого места установки антенны. Эксперимент проводился следуюшпм образом: относительно двух базовых наземных двухчастотных кодоао-фазовШ GPS-приемников, расположенных вдали от металлических объектов й на удалении не более 500 м от самолета, fc использованием программах средств обработки фазовых измерений в статическом режиме определялись геодезические координаты одной из трех, размешенных на самолете авиационных антенн. Погрешность статического определения оЦенеНа при уравнивании результатов измерений в замкнуты* фигурах. Средняя квадратическая погрешность (СКП) (при статической обработке) определения координат любой авиационной антенны составила в плане -не более $ Мм, па высоте - не более 8 мм. После этого, По тем же н&коплённым G PS-фазовым измерениям определены координаты

авиационной антенны (относительно базовой станции) в кинематическом режиме.

По точным значениям координат бортовой GPS-антенны, вычисленным в статическом режиме (считая их образцовыми), оценена фактическая погрешность (ФП) определения координат этой антенны на каждый момент измерения (пр'и обработке статических измерений програмными Средствами для кинематических измерений).

По проведенным экспериментам в статическом Положении самолета получено, чТо для авиационных GPS-антенН ( и конкретных типов GPS-приемников), установленных 6 Местах минимального воздействия Многолучевостй на кодовые GPS-определения (коэффициент корреляции более 0.999) погрешность фазовых GPS - определений не увеличивается (ФП < 2 см). Для авиационных антенн, расположенных в местах, для которых доля частных погрешностей Кодовых определений более 3 % возрастает и погрешность фазовых GPS - определений (ФП достигает Значений 1 М и более).

В существующих программных средствах обработки накопленных GPS-даНных в кинематическом режиме для каждого Момента измерения приводится оценка точности определения координат - RMS (residial median sqliarte). Объективность оценки погрешности текущих значений координат По внутренней сходимости (RMS) Проверялась на основе сравнения со значениями ФП при проведении экспериментов в статическом положении самолета. В связи с тем, что значения ФП и RMS в статике близки rto значению (коэффициент корреляции между ними не менее - 0.7) RMS использовался автором в качестве первоначального критерия оценки погрешности Определения координат авиационной GPS-aнтеины в полете в зависимости от Значений углов крена самолета.

По результатам" обработки большого количества (более 170 летных часов) полетных кодово-фазовых GPS-йзмеренИй в относительном режиме и анализа значений RMS поручено, что при условиях:

• Использования двухЧастотных GPS-приемникоп;

• Применения програМнЫх средств обработки кодово-фазовых GPS-измерений, оснащенных алгоритмом "разрешения фазовых неоднозначностей я полете" (OTF);

• удалении самолета от базовой наземной станции не более 100 км;

• отсутствии воздействия дополнительных Помех на авиационную GPS-антеИну:

• видимости не менее 6 спутников с углом места более 10°;

• углах крена самолета (АН-30) не более 20°;

достигается надежное разрешение фазовых неоднозначностей и погрешность определения координат фазового центра авиационной вРЗ-антенны ( по внутренней сходимости) на протяжении всего полета не превышает 15 см.

Для вычисления координат центра прикладной рамки АФА в полете по координатам фазового центра авиационной ОРЯ-антенны необходимо, на момент экспозиции, иметь информацию о ориентировке самолета. В РосНИЦ "Земля" под руководством автора опробовано несколько способов регистрации углоз крена , тангажа и сноса при выполнении АФС с ОР5-аппаратурой.

Первый из них является традиционным, с использованием гиродатчиков для определения углов крена и тангажа (ЦГВ-4), а также штатного четырехканалыюго доллеровского измерителя скорости и угла сноса (ДИСС-013) . Погрешности вычисления координат центров прикладной рамки АФА по координатам фазового центра авиационной ОРЗ-антенны с учетом погрешностей 1ДГВ-4 и ДИСС-013 для всех вариантов установки антенн на самолете АН-30 не превышают Зсм.

Второй способ, с использованием фазовых одночастотных ОРЗ-приемииков для измерения углов крена, сноса и тангажа является более точным, но технически более трудоемким. В марте-апреле 1995 года в РосНИЦ "Земля" совместно с ГосНИИГА были проведены ипытания 24-х канального одночастотного СРБ-приемыика ЗОР-24 фирмы АвЬСесЬ, предназначенного для определения углов крена, тангажа и сноса в реальном времени. Целями эксперимента были оценка погрешности измерений и эксплутационной надежности приемника ЗОР-24 при выполнении АФС с использованием ОРБ-аппаратуры для определения координат центров фотографирования. В связи с высокой точностью определения углов крена, тангажа и сноса в полете (по данным фирмы изготовителя, погрешность определения углов крена н тангажа не превышает 30", и сноса-40" при расстоянии между антеннами не менее 10 м) предполагалось использовать эти значения как для расчета элементов редукции фазового центра ОРЗ-антенны относительно центра АФА, так и для вычисления углов ориентирования АФА в момент фотографирования. Значения углов ориентирования аэрофотоснимков предполагалось использовать для повышения точности фотограмметрической обработки нолучейных фотоматериалов.

При анализе результатов трех экспериментов в статическом положении самолета, проводимых в различные дни, получены следующие значения СКП:

дчя углов крена не более - 2.8';

для углов сноса ( в статическом положении самолета- углов курса) не более -1';

для углов кобрировання (тангажа) не более -1.8',

т.е. в 2 - б раз больше, чем заявлены фирмой - производи; елем.

При проведении экспериментов выявлена неустойчивость работы приемника 3DF-24. Так, из общего количества накопленных спутниковых сообщений в статическом положении, количество вычислений значений углов составляет около 65%. Наиболее вероятной причиной нестабильной работы приемника следует признать влияние переотражепных сигналов от плоскостей крыльев на расположенные на них GPS-ангенны при слабой селекции отраженных сигналов одночастотным приемником.

При проведении экспериментальных полетов с приемником 3DF-24, количество показаний углов от общего количества накопленных измерений в динамике составляло менее 50м/,. При углах крен.: более U'определение углов приемником не производилось. Интервалы времени восстановления работоспособности приемника изменялись от 40 с до 17 мин вне зависимости от значений углов сноса и тангажа и при значениях угла крена менее 15°.

В дальнейших экспериментальных полетах для определения элементов редукции в полете использовались приборы 1ДГВ-4 и ДИСС-013.

Определение координат центра фотоснимка при проведении ЛФР с использованием фазовой GPS-аНпаразуры должно осуществляться на момент времени tcp, соотнетвугошин середине Интерпола экснознпнп. Зарубежные АФА тина R.MK.-TOP (Zeiss), RS-30 (Leiku), имеют устройства выработки высокостабильного импульса открытия фотозатвора (НОФ) с минимальным фиксированным значением смещения относительно tcp. Уровень выходного напряжения ИОФ вышеперечисленных камер соот-ветсвует входному уровню регистрационного входа (уровень ТП. - 0 + 5 В) существующих ОРЫ-приечнико» , предназначенных для использования в аэрофотосьемочпом производстве. В летных экспериментальных работах автором использовались только очечестьсниые ЛФД. Применяемые для лето-съемочных работ отечественные АФД имеют ИОФ с выходпыи напряжением t 27В и сгабнльнсччь (но паспоршым чактпко-техннчсскнм

характеристикам ) 0.1+ без указания знака и величины смещения относительно 1ср. Автором, совместно с инженером РосНИЦ "Земля" И.А. Кривым разработан и изготовлен фотодатчик, по своим характеристикам приближающийся к аналогичным устройствам формирования ИОФ зарубежных аэрофотоаппаратов. Среднее значение задержки импульса фотодатчика при облучении светочувствительного элемента световым потоком в 1 лк - Не более 3.2 икс, нестабильность задержки выходного импульса (ТТЬ-уроЕ.ень) - не более 0.3 мкс.

Минимальные размеры и особенности конструкции фотодатчика, позволяют использовать его со всеми отечественными аэрофотоаппаратами, предназначенными для аэрофотосъемки, без существенной доработки фотокамеры и без "затенения" рабочей .Площади снимка. При высокой чувствительности усилителя, за счет схемногс) и конструктивного решений, удалось избежать ложных срабатываний фотодатчика от помех, создаваемых электромотором перемотки кадров и электромагнитом подъема прижимного стола АФА.

С использованием фотодатчнка была произведена экспериментальная оценка стабильности и смещения штатного ИОФ ряда широко используемых отечественных АФА. Схема экспериментального стенда, оборудованного на самолете АН-30 ГосНИИГА, приведена на рисунке 1.

Приемник 2-12 (П1), подключенный к авиационной ОРЗ-антенне АЫ_2, Измеряет время прихода импульса фотодатчика, установленного в АФА, а приемник Z-l2 (П2), подключенный к антенне АК_3 измеряет время прихода штатного импульса открытия фотозатвора АФА- Штатный ЙОФ с амплитудой 27В, предварительно преобразован в уровень ТТЛ Логики с помощью формирователя, разработанного в РосНИЦ "Земля" И Имеющего собственную задержку не более 200 не.

Под объектив АФА установлена мощная лампа для создания высокой освещенности светочувствительного элемента (Солее 200 лк). Чувствительность фотодатчика увеличивается до максимальной, при этом расчетное смещение момента срабатывания фотодаТчика относительно момента начала открытия фот-озатвора составляет. не более 0.2% от времени Экспонирования. Значение смещения штатного ЙОФ относительно ИОФ, вырабатываемого фотодатчиком вычисляется по разности показаний моментов ерабатывания, записанных в приемниках ГН И П2.

AN_3

AN 2

прибор управления работай АФА

АФА

\ I/

устройство выработки ! Штатного НОФ 1

самолет Al 1-30 i (RA 30028) i

источник света

Рис. 1 Схема измерения нестабильности импульса открытия фотогатвора (ИОФ)

отечественных АФА.

Исходя из экспериментальных данных, погрешность определения координат центров фотографирования только за счет нестабильности штатного ИОФ, при использовании камер типа АФА-ТЭ-200 может достигать значений 1 м , а При использовании камер типа АФА-ТЭ-350 -0.3 м( при скорости самолета V=100m/c). ВремЛ смещения необходимо измерять И учитывать индивидуально при работе с каждой камерой, не оборудованной фотодатчиком. Для точного определения координат Цекгрой фотографирования Также необходимо учитывать нестабильность йремйни экспозиции, т.е. фиксировать на шкале UTC момеНг времени ti при открытии фотозатвора й Момент бремени t2 при закрытии.

Погрешность определения координат центров фотографирований при использований фьтодатчика определяется в. основном нестабильностью Тэксп; И дня камер АФА-ТЭ-200 и АФА-ТЭ-350 не превышает 4см, а дач ТАФА-10 и f АФА-20 - 2 см

Описанный выше фотодатчик может быть использован при тестировании АФА, Лак для определения времени смещения, так к дДя оценки нестабильности Штатного 1ЮФ.

Выше отмечено, что погрешность вычисления координат центров фотографирования определяется ошибками опознавания на снимке опорных точек, погрешностями определения их геодезических координат, погрешностями фотограм-мстрнческих измерений. В 1994-1995 г. в РосНИЦ "Земля", по заказу Российского комитета по земельным ресурсам и землеустройству (Роскомзем) , для целей земельно-кадастрового производства, был создан специальный тестовый фотограмметрический полигон, предназначенный доя метрологических испытаний фазовой и кодовой GPS аппаратуры и отработки технологии определения координат центров фотографирования .с использованием GPS-аппаратуры.

После рассмотрения различных вариантов в качестве тестового был принят полигон на территории города Алексин Тульской области. .

Первая экспериментальная аэрофотосъемка выбранного участка выполнена 18 октября 1994 г. На территории полигона по полученным снимкам было запроектировано 97 наземных точек (опознаков) с таким расчетом, чтобы на каждую стереопару попадали один-два опознака.

Для определения координат наземных точек тестового полигона в г. Алексин в системе IGS была первоначальна создана сеть пунктов 1 разряда, включающая в себя 4 пункта: MEND - астропункт ВНИИФТРИ; "NI1G -закрепленная точка в а/п "Шереметьево"; GOST и ALOL -закрепленные точки в г.Алсксин. Среднеквадратаческие значения погрешностей координат пунктов геодезической сети 1 разряда в геоцентрической системе координат по осям составили не более (м): X: 0.057, Y: 0.055, Z: 0.068.

Пункты 2 разряда (наземные опорные точки), используемые в дальнейшем да; вычисления координат центров проектирования аэрофотоснимков, выбраны на территории г.Алекснн из следующих условий:

» четкого опознавания на аэрофотоснимках;

• минимального закрытия снегом з зимнее время и кронами деревьев в пегнее;

• сохранности не менее 5 лет,

п представляют собой углы иенгчляшюнных колодцев, лифтовых шахт и крыш городских строений. Средняя погрешность взаимного положения пунктов 2 разрыла, полученная из уравнивания замкнутых фигур составила 6 8 мм ( по оси л - 3 мм,но оси у - 4 мм. по оси ¡1-4 мм).

При фою'раммотрическип оПрншмке мат ер ¡[ал о в \ФС решены счедутшпе ^¡..чачп:

• построена и уравнена фотограмметрическая сеть с использованием наземных опознаков

• выполнено фотограмметрическое определение координат центров фотографирования;

• оценена погрешность координат центров фотографирования, полученных фотограмметрическими методами.

Далее выполнено сравнение фотограмметрических координат центров проектирования аэрофотоснимков с координатами, измеренными в полете с использованием бортовой GPS - аппаратуры;

Обработка полученных результатов, вычисление координат центров фотографирования с оценкой точности, осуществлялась сотрудниками отдела цифровых кадастровых технологий (Ц1СГ) РосНИЦ "Земля" к.т.н С.А.Кадничанским и ведущим инженером С.И.Хмелевским по разработанной ими программе "Фотомодель".

В 1994 - 1995 гг над территорией тестового полигона выполнено два экспериментальных аэрофотосъемочных полета с кодово-фазовой GPS-аппаратурой. По результатам обработки матерналоь АФС полигона, выполненной фотокамерой ТАФА-20 ( фокусное расстояние 200 мм) в 1994 г. получено:

« СКП фотограмметрической сети ( на опорных точках), не более (м): но оси Х-0.09, но оси y-0.0S, по оси h - 0.5.Я;

• СКП вычисления координат центров проектирования по наземной опоре, не более (м): по оси х-0.30, по оси у-0.30, по осп h - 0.78;

• СКО разностей координат центров снимков, полученных фотограмметрическим и GPS-методами в полете, не более (м):

по осп х-0.9, по осп у-1.2, по осп ¡1-1.2;

• среднее значений разностей координат центров снимков, полученных фотограмметрическим и GPS-методами в полете, не более (м):

по оси х - 0, по оси у-0.2, по оси li-0.9.

После проведения дополнительных исследовании был сделаны следующие выводы:

• общее увеличение погрешностей определения координат центров фотографирования с использованием GPS-присминков в относительном режиме связано с кодовыми и фазовыми искажениями принимаемых сигналов, вызванными воздействием переотраженных сигналов (многолучевое г ыо);

• полученная пшрешнос!ь фошгрнммегрическоп сети выше расчетной, что связано со сматом изображения (до 25 см на местности), типом

используемого ЛФА и неполным учетом деформации фотопленки при проведении фотограмметрических построений.

С учетом перечисленных недостатков методики тестирования кодово-фазовой GPS-аппаратуры в полете в декабре 1995 г. был произведен повторный эксперимент на территории полигона в г. Алексин.

Для увеличения надежности измерительного комплекса и возможности оценки точности определения координат центров фотографирования По результатам многократных • измерений, было принято решение использовать на самолете 3 равных по классу фазовых GPS-приемника: два приемника типа Z-12 (Ashtech) и один типа 4000SSi (Trimble). Учитывая ранее проведенные исследования по выбору оптимального места установки GPS-антенн на самолете, подключение GPS -приемников Z-12 осуществлялось к микрополосковым антеннам установленным по варианту AN_2 и AN_3, а приемника 4000SSi - к спиральной антенне, установленной на месте AN_1. Значения коэффициентов корреляции для этих вариантов установки антенн показывают отсутствие воздействия переотраженных сигналов на спиральную антенну ( в комплексе с приемником 4000SSi), установленную на месте AN_1 , и уменьшение влияния эффекта многолучевости на микрополосковые антенны (в комплексе с приемниками Z-12), установленные на местах AN_2 И AN_3 , по сравнинию с используемой в экспериментальных полетах 1994 г. микрополосковой антенны AN_1.

АФС проводилась фотокамерой ТАФА-10 (фокусное расстояние 100 мм) в масштабе 1:3000. Максимальная скорость самолета при выполнении АФС - не более 62 м/с, расчетная величина смаза изображения - не более 11 см на местности.

По результатам обработки материалов АФС полигона, выполненной в декабре 1995г получено:

• СКП фотограмметрической сети (оценка по расхождениям на контрольных точках), не более (м):

по оси X-0.0&, по оси у-0.06, по оси h-0.12;

• СКП вычисления координат центров фотографирования по наземным опорным точкам, не более (м): по оси х-0.11, по оси у-0.10, по оси h-0.06;

• СКО разностей координат центров фотографирования, вычисленных фотограмметрическими методами и полученных кодово-фазовой GPS-аипаратурой:

и плане и иоиысогс поболее - 0.21м.

• в пределах точности, обеспечиваемой фотограмметрическими измерениями, приемник Z-12 , подключенный к антеннам АМ-2 и АМ-З и приемник 4000581, подключенный к антенне АМ__1 дают равноточные определения координат центров фотографирования при используемой методике проведения тестовых работ.

• по данным фотограмметрических определений координат центров фотографирования ни по одному из приемников не обнаружено грубых промахов.

На основе сделанных выводов о величине погрешностей кодово-фазовых измерений каждого тестируемого приемника, полученных с использованием фотограмметрических измерений, предоставляется возможность выбрать равные по точности независимые ОРЗ-измерения и продолжить оценку точности по результам сравнения двойных измерений. • По данным двойных независимых измерений погрешность определения координат кодово-фазовыми ОРЗ-прпемкиками в полете ( при удалении от базовой станции не более 10 км) составила

в плане н но высоте - не более 0.06 м.

По результатам проведенных в РосНИЦ "Земля" экспериментальных летно-съемочных и полевых гедезическнх-работ е ОРЗ-аппарагурой по созданию тестового полигона, Институтом Метрологии Времени и Пространства государственного предприятия "ВНИИФТРИ" в январе 1996 г. выдано свидетельство метрологической аттестации фотограмметрического полигона в г.Алекснн для испытаний геодезической спутниковой аппаратуры аэрофотосъемочного назначения.

В главе 5 на основе обобщения экспериментов, описанных в главах 3 и 4, а также результатов обработки кодовых дифференциальных измерений и кодово-фазовых динамических (полетных) измерений в относительном режиме, автор предлагает схему проведения тестирования кодовой аппаратуры, состоящую из следующих частей:

1. Проверка возможности совместной работы тестируемых кодовых ОРЯ-пр'иемнпков в условиях отсутствия помех в статическом режиме;

2. Оценка влияния помех на самолетную антенну кодового приемника;

3. Проведение лешых испытаний кодового СРВ-приемника

В состав технического комплекса, применяемого для оценки точности измерений кодового навигационного СЛ'Яприеминца в полете, должно быть включено следующее оборудование:

«комплект кодово-фазовой О [^-аппаратуры, состоящий из базовой и бортовой станции, прошедший метрологические испытания по методике изложенной в главе 4; .

• аппаратура для определения и фиксации углов крена, курса и тангажа;

• бортовые компьютеры для записи спутниковых сообщений.

Режимы проведения летных испытаний , в зависимости от особенностей применения тестируемой кодовой аппаратуры могут быть различными, но в любом случае должны содержать - как продолжительные участки прямолинейного движения самолета (по 10 - 15 мин полета на различных высотах) для оценки потенциальной погрешности кодовых приемников в дифференциальном режиме при данных скоростях объекта, так и развороты самолета с различными углами крена ( но не превышающими указанных выше предельных значений) для оценки эффективности программного обеспечения пост-процессорной обработки кодовых измерений при изменении количества рабочих спутников, наблюдаемых бортовым приемником, по отношению к количеству спутников, наблюдаемых базовым приемником.

На рисунке 2 приведена технологическая схема тестирования в полете кодовой ОРБ-аппаратуры в дифференциальном режиме. Приращения координат фазового центра кодово-фазовой авиационной антенны (на рисунке 2 - антенна1) (1Хф1, йУф1, йНф1 и приращения координат авиационной антенны кодового приемника (на рисунке 2 - антенна2) (1Хк1, (1Ук1, 6Ню в полете определяются в пост-процессорном режиме стандартными программными средствами обработки фазовых и кодовых кинематических измерений относительно своих базовых станций.

Образцовые координаты фазового центра антенны I (Ха1,Уа1,На1) определяются по следующим формулам:

Х(а1)1= Хф + <1Хфг, У(а1)1= Уф + аУф1; (16)

Н(а1)1= Нф + |5Нф].

Текущие координаты фазового центра антенны 2 кодового приемника в дифференциальном режиме на 1 момент времени вычисляются по формулам: Х(а2 Хк +-<1 Хкг, У(а2)1= Ук + аУк1; (17)

Н(а2Я= Нк + с1Ню.

Х(а!)1=Хф + йХф) Х(а2)1=Хк + ЛХи

У (а 1)!=Уф + <1 Уф> У(а 2)1=Ук + й Уы

Н(а1)1=Нф +:<1Нф1 иХ2,с1У2,11Ц2 Н(а2)1=Нк + ¡Шк|

К-^

лнтеннл г

оборудование

для определения глов крена, тангаж.", н сноса

11ХМУ1,11Н1

Хк= Хф+(1Х1, Ук= Уф+11У1, Нк= нф+ан!

айтенНа базового кодово-фазового

ОРЗ-ПРНЕМНИКА

антенна базового кодового 0|чип1емн11ка

ОЦЕНИВАЕМЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ

А XI = Х(а2)| - Х(а1_ред)1 ,

А V! = У(а2). - У(а1_Р«д)1,

Дш = Н(а2)1 - Н(а1_ред)1.

А (21=<2к1-дк , д = А (} ¡, Л (г о

Рисунок 2 Технологическая схема тестирования кодовой КНС-аппаратуры в полете

Оценка точности определения координат кодовыми приемниками в полете (с учетом известных значений углов крена, тангажа и сноса) производится на основе статистичекой обработки величин ДХ1, Д У1, ДШ, полученных из следующих соотношений:

ДХ1= Х(а2)1- Х(а1_ред)|; ДУ1= У(а2)1-У(а1_ред)1; (18)

ДНИ Н(а2)ь Н(а1_ред)1, С учетом образцовых координат антенны 1 имеется возможность вычисления для каждого ¡-момента времени наблюдений пары разностей

Л£?/ = " 0(ти>«>)( д^

да

где:

- навигационные (абсолютные) координаты антенны 2,

координаты антенны 1, вычисленные при пост-процессорной обработке кодово-фазовых измерений в относительном режиме и редуцированные на место антенны 2 (эталонные координаты),

дкГ навигационные (абсолютные) координаты, антенны базового кодового приемника,

фиксированные координаты антенны базового кодового приемника, вычисленные относительно координат антенны базового кодово-фазового приемника.

В таком случае имеется возможность вычисления коэффициента корреляции для рядов Д$ и Д0\ Значение коэффициента корреляции, в данном случае, вычисляется между отклонениями абсолютных навигационных координат, измеренных базовым кодовым приемником относительно фиксированных координат Хк, Ук, Нк и отклонениями навигационных координат антенны 2 относительно образцовых координат антенны 1, приведенных к одной точке измерения. Процедура анализа значений коэффициента корреляции в динамике, полученного с учетом образцовых кодово-фазовых координат, позволяет использовать методику оценки точности измерений кодовых приемников, предложенную в главе 3 и для динамического режима.

В зависимости от уменьшения коэффициента корреляции в динамике по отношению к коэффициенту корреляции, полученному для данной пары приемников в статике, определяется эффективность и помехоустойчивость програмного и аппаратного комплекса бортового ОРБ-приемника в полете (при заданных режимах полета).

По изложенной выше методике автор провел тестирование кодовых динамических измерений приемника '¿-\2 по образцовым координатам, полученным кодово-фазовь!м двухчастотным ОРЗ-приемником 4000831 в относительном режиме,

В таблице 1 приведены результаты сравнения координат центра антенны АЫ_1, вычисленных с использованием кодово-фазовых измерений приемника 4000551 в относительном режиме и принятых за эталонные, и координат антенны АМ_3, вычисленных с использованием кодовых измерений приемником 2-12 в дифференциальном режиме.

Таблица 1

Тип СКП абсолют Кол-во Коэф корреляц. СКП Кол-оо Максимальное Режимы

приемников и места ного режима х/у/Ь (М) спутн / РООР результатов измерений координат Х/у/Ь диффер. режима х/у/Ъ измерений / им гервал удаление от базовой полета с.д'лолега АН-30

установки (м) записи (с ) станции (км)

2-12 (базовый) 2-12 13/ 23/ 24 13/ 7/1.6 7/1.6 0.9993 / 0.9999 / 0.9999 0.52 / 0.28 / 0.43 3801 / 0.5 14 1.угол крепа<20°. 2. высота: 300 - 620 м.

(бортовой) 23/ 24 3. скорость:

56 • 78 м/с. 4. ускорение < 0.7 м/с1

На основе анализа экспериментальных данных, приведенных в таблице 1 можно сделать следующие выводы:

• погрешность определения приращений координат в дифференциальном режиме, с использованием кодовой информации ОР5-приемннков 2-12, на осиове сравнения с кодово-фаэовыми - образовыми определениями приемника 4000551, при полетах в ближней зоне (менее 45 км) относительно базовой станции, со скоростью менее 80 м/с, высоте менее 700 м , не превышает (м):

а!шн =°-6 ;

а8ЫСОТЛ =0-5 .

• в связи с тем, что коэффициенты корреляции в статическом и динамическом режимах ( на основе использования образцовых фазовых

координат) для приемников Z-12 практически одинаковы, алгоритм определения навигационных координат этими приемниками способен обеспечить равную погрешность как в статике, так и в динамике ( при вышеперечисленных ограничениях режимов полета);

• тождественность значений погрешностей определения координат в дифференциальном режиме, а также значений коэффициентов корреляции, полученных в статике и в динамике, доказывает правомерность использования предложенной -автором методики оценки кодовых измерений в полете по данным кодово-фазовых измерений при определеных ограничениях режима полета.

Заключение:

На основе проведенных экспериментальных исследований разработана сравнительно недорогая методика метрологических испытаний кодовых дифференциальных КНС приемников в полете. По сравнению -с существующими методами оценки погрешностей этих приемников использование кодово-фазовых определений имеет следующие преимущества:

• погрешность метода кодово-фазовых определений в 4-6 раз меньше, чем погрешность кодовых дифференциальных определений;

• обеспечена возможность проведения метрологических испытаний на протяжении всего полета ( от взлета до посадки и На удалениях от базовой станции на расстояние до 100 км.), в не на ограниченных участках, присущих методам кинофототеодолитной съемки и лазерной Локации.

Основным условием применения предложенной методики является сохранение информации о фазе несущей в течении всего полета. В связи с этим накладываются ограничения на углы крена летательного аппарата в полете, в зависимости от его конструкции, размещения GPS-антенн и количества -наблюдаемых спутников. Применение АП, использующей сигналы двух навигационных систем GPS и ГЛОНАСС, приведет к увеличению надежности фазовых определений в полете и • уменьшит существующие ограничения на режимы полета.

При оснащении самолета аппаратурой приема - передачи кодово-фазовых поправок в реальном времени (использование режима RTK) появляется возможность оперативной оценки погрешности кодовых (абсолютных и дифференциальных в реальном времени) определений в полете без изменений основных положений разработанной методики.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. Беликов ПЛ. Устройство синхронизации работ аэрофотоаппарата и приемника OPS ASHTECH P-12 .- Измерительная техника -1993 №11 - с.39-40.

2. Беликов П.А. Исследование точности и технологических схем GPS-привязки опознаков. - Измерительная техника - 1993 №9 - с.37-40.

3. Беликов П.А., Кадничанский С.А., Кислов B.C., Хмелевской СИ. Опыт построения сети фототриангуляции с использованием координат центров проектирования аэрофотоснимков, полученных с помощью GPS-технологии. - Геодезия и картография, - 1995 №.4- с.38-42.

4. Беликов П.А., Бойков A.B., Козлов В.А. Исследование фазовых GPS -приемников на объектах работ РосНИЦ"Земля". - Труды 5-го Российского симпозиума "Метрология времени и пространства, МВП-94", Меделеево, PoccMji994.

Подписано к печати 12.09.56 г. Объем 1,5 уч.-изд.л. Тираж 80 ;жз. Полигряфучасгок ГП "ВШФТРй" Эак. ¡<° 389