автореферат диссертации по информатике, вычислительной технике и управлению, 05.13.01, диссертация на тему:Комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных GPS-приемников

На правах рукописи

КОЗИЕНКО Леонид Владимирович

КОМПЛЕКСНАЯ СИСТЕМА АВТОМАТИЗИРОВАННОЙ ОБРАБОТКИ И АНАЛИЗА ДАННЫХ ДВУХЧАСТОТНЫХ СРЭ-

ПРИЕМНИКОВ

Специальность 05.13.01 - Системный анализ, управление и обработка информации (промышленность)

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

I

*

Иркутск-2005

»

Диссертация выполнена в Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС) Министерства транспорта Российской Федерации Федерального агентства железнодорожного транспорта

Научный руководитель:

доктор технических наук, профессор Башку ев Юрий Буддич

Официальные оппоненты:

доктор технических наук Борсоев Владимир Александрович

кандидат технических наук, доцент Макагонова Надежда Николаевна

Ведущая организация:

Иркутский государственный технический университет (ИрГТУ), г.Иркутск

Защита диссертации состоится «16» июня 2005 г. в 10-00 часов на заседании диссертационного совета Д 218.004.01 при Иркутском государственном университете путей сообщения (ИрГУПС) по адресу: 664074, г. Иркутск, ул. Чернышевского, 15, ауд. А803.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Иркутского государственного университета путей сообщения.

Автореферат разослан «16» мая 2005 г.

Ученый секретарь диссертационного совета

Н.П. Деканова

2-OÖ6

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) характеризуются охватом всего Земного шара и ближнего околоземного космического пространства и отсутствием ограничений по числу обслуживаемых потребителей. СРНС обеспечивают точное трехмерное определение координат и вектора скорости подвижных объектов в реальном масштабе времени вне зависимости от их географического положения, времени и метеорологических условий.

В настоящее время происходит интенсивное освоение и применение СРНС GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) в различных отраслях народного хозяйства и, в частности, на железнодорожном транспорте. Аппаратура СРНС, позволяющая определять координаты и скорость движения локомотива, может в комплексе со средствами цифровой связи стать основой для построения центров управления перевозками, работающими в реальном масштабе времени. Возможности СРНС ГЛОНАСС/GPS позволяют проводить мониторинг состояния железнодорожных путей и сооружений, осуществлять контроль свободности участков пути и решать другие транспортные задачи. Данные вопросы рассмотрены в работах С.И. Матвеева, В.А. Коугия, В.Т. Залуцкого, A.A. Панжина и других. В рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» (Постановление Правительства РФ от 20 августа 2001г. № 587) в интересах железнодорожного транспорта предусматривается повышение безопасности, точности и оперативности координатно-временных определений, а также создание дифференциальных подсистем для решения целого ряда задач (навигация подвижных объектов, высокоточная привязка при геодезическом обеспечении строительства и текущего содержания железнодорожных путей, мостов и тоннелей).

Такие широкие перспективы использования СРНС приводят к необходимости детального изучения информационных параметров самих систем спутниковой навигации, в том числе надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при их эксплуатации в экстремальных условиях, например, во время сильных геомагнитных возмущений. Качество функционирования СРНС ГЛОНАСС/GPS ограничивается влиянием ряда факторов, связанных с характеристиками среды распространения радиоволн. Исследованиям в этой области посвящены работы Э.Л. Афраймовича, Э. Кале (Calais), М. Хаякава (Hayakawa), O.A. Молчанова, А. Манусси (Manucci), Дж.Лыо (Liu) и многих других.

Технологии на основе СРНС входят в «Перечень основных проблем развития железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований (приложение № 1 к указанию МПС России от 26.12.02 № Я-1272у, позиция 5.4.). Разработка физических и математических моделей учета влияния среды на транспортные системы также входит в этот Перечень (позиция 11.6).

Объем информации, получаемой в результате тематической обработки данных GPS-приемников, постоянно увеличивается, поэтому на первый план выходят задачи ее анализа, оптимизации и структуризации. Существующее программное обеспечение (как коммерческое, так и бесплатное) обработки данных GPS-приемников нацелено на решение узкоспециализированных задач. Вопрос о создании системы обработки спутниковой информации при проведении исследований с использованием СРНС в интересах железнодорожного транспорта остается открытым. Требуется решить взаимосвязанный круг задач от организации структуры экспериментальных данных до алгоритмов и методов обработки и анализа полученной информации. Адаптация же существующих решений сопоставима с разработкой программного обеспечения с нуля.

Целью диссертационной работы является создание комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников для оценки точности, надежности и чА<Ьртф?вности GPS на железнодорожном транспорте. I MC МАЦ МОИ АЛЫМ > I

I нимтш !

л ¿»jfficl

■■ ■ I—»rf

функционирования системы

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи-

1 Провести анализ имеющихся подходов и программных средств, используемых для обработки данных GPS-приемников.

2. Разработать концепцию программного комплекса, на основе информационных потоков выявить структуру приложения и формы представления данных.

3 Реализовать комплексную систему: провести обоснование и выбор аппаратно-программной платформы, спроектировать базу данных (БД), разработать алгоритмы и программные модули для тематической обработки информации.

4 Провести тестирование и оценить характеристики программного комплекса на основе обработки и анализа цифрового банка данных спутниковых измерений постоянно-действующей GPS-станции ULAZ.

5 Определить точностные характеристики пространственных параметров реперпой точки LILAZ в кодовом и фазовом режимах измерений за продолжительный период времени двухчастотным многоканальным GPS-приемником ASHTECH Z-FX.

6 На основе вейвлет-анализа определить пространственно-временные характеристики крупномасштабных ионосферных возмущений при сильных сейсмических событиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена, разработана и реализована комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников.

2. На основе вейвлет-анализа предложен новый метод детектирования ионосферных возмущений, позволяющий оценить эффективность функционирования системы GPS во время различных геофизических событий (землетрясения, магнитные бури и т.п.).

3. Создан проблемно-ориентированный инструмент для анализа работы системы GPS (ГЛОНАСС), позволяющий повысить надежность и качество эксплуатации технических средств железнодорожного транспорта, использующих СРНС, в экстремальных геофизических условиях.

4. Разработан способ хранения и управления информацией навигационных искусственных спутников Земли (ИСЗ) на основе системы управления базами данных (СУБД) MySQL, позволяющий оптимизировать информационные потоки, а также компьютерные методы обработки, предназначенные для визуализации, трансформации и анализа спутниковой информации, получаемой с помощью GPS-приемников.

5. "На основе разработанных методов, алгоритмов и программ получены точностные характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ; определены пространственно-временные характеристики крупномасштабных возмущений среднепгаротной ионосферы во время «роя» сильных землетрясений 23 октября 2004 года в Японии.

Достоверность полученных результатов, подтверждается тестированием алгоритмов и программ, физическим обоснованием предложенных методов, их проверкой вычислительными экспериментами и представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах результаты находятся в качественном и количественном согласии с данными независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами.

Практическая ценность работы. Разработанная методика и программный комплекс использованы при выполнении НИР «Совершенствование технологии высокоточного спутникового позиционирования (GPS-ГЛОНАСС) для объектов железнодорожного транспорта с учетом космической погоды» (ИрГУПС, 2004). Созданная на основе цифрового банка данных постоянно-действующей GPSNrramiHH ULAZ база данных представляет собой

уникальный материал дяятеоДИМоМчеСких, геофизических и радиофизических исследований, 4> - ,

поскольку сеть GPS-приемников в этом регионе практически отсутствует, а ближайшие пункты наблюдений находятся в г. Красноярске, Иркутске и Якутске. Разработанные в диссертации концепция, алгоритмы и методы, а также программы-модули могут использоваться при разработке специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимйзации, управления, принятия решений и обработки информации СРНС.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены лично автором. Автору принадлежит разработка концепции комплексной системы, проведение анализа предметной области, построение модели программного комплекса, проектирование структуры БД, определение тактико-технических требований к программному комплексу и разработка технических решений для их реализации, включая обоснование и выбор аппарагао-программной платформы и написание комплеета типовых сценариев, модулей и подпрограмм. Сравнение результатов первичной и вторичной обработки комплексной системы с результатами, полученными другими программными средствами и тестирование на примере обработки и анализа цифрового банка данных GPS-станции ULAZ (около 3 Гб архивной информации), а также сети японских GPS-станций.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Алгоритмы и методы, составляющие основу комплексной системы обработки и анализа спутниковой информации, получаемой с помощью GPS-приемников.

2. Метод детектирования ионосферных возмущений на основе вейвлет-анализа данных сети GPS-станций для оценки эффективности функционирования системы GPS при различных геофизических событиях.

3. Результаты системного анализа спутниковой информации, полученной за период с июля 1999 по декабрь 2003 г. двухчастотным GPS-приемником ASHTECH Z-FX, на основе цифрового банка данных станции ULAZ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской научно-технической конференции «Новые Материалы и Технологии»

1 (Москва, 2002,2004);

• 2003 International Symposium on GPS/GNSS: Technical Session of 2003 Joint International Conference on GPS/GNSS in Tokyo (Токио, 2003: участие в Симпозиуме поддержано грантом Российского фонда фундаментальных исследований № 03-0793545);

• Ш Международной научной конференции творческой молодежи (Хабаровск, 2003);

• Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2004);

• П Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004);

• Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2004);

• Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Иркутск, 2005).

Публикации. По теме диссертации опубликовано 10 работ.

Структура и объем рабсчы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 140 наименований литературных источников. Общий объем диссертации - 171 страница, включая 9 таблиц, 47 рисунков и 6 приложений на 11 страницах.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении дана общая характеристика работы, отражена актуальность ее темы, сформулированы цель и решаемые в диссертации задачи, приведены защищаемые положения.

В первой главе проведен обзор технологий обработки и анализа данных двухчастотных GPS-приемников. Рассмотрены назначение, состав и принцип действия системы GPS, области ее применения на транспорте, в науке и народном хозяйстве, а также форма представления и особенности обработки данных GPS-приемников, реализованные в прикладном программном обеспечении (ПО). Приведены существующие методы обработки данных GPS-измерений, расчетные формулы определения полного электронного содержания в ионосфере, углов места и азимутов ИСЗ Координаты потребителя определяются из измерений псевдодальностей до ИСТ

А = Y-Y,f+(Z-Z,f + cT'+SD,,

где X,Y,Z - прямоугольные координаты объекта (приемника) в геоцентрической системе координат; X„Y„Z, - координаты i-го спутника (содержатся в навигационном сообщении) в той же системе координат; с - скорость распространения радиоволн; 7" - расхождение шкал времени ИСЗ и потребителя; SDt - погрешности расчета псевдодальностей, i = 1,2,...Д и N -число ИСЗ, по сигналам которых измерены псевдодальности.

В зависимости от типа приемника существуют одно- и двухчастотпые режимы определения координат Для решения задач, требующих высокой точности позиционирования (например, при создании реперной системы ж/д транспорта), используются двухчастотные приемники, выполняющие измерения одновременно на двух рабочих частотах fi =1575,42 МГц и^г =1227,6 МГц Качество функционирования СРНС ограничивается влиянием ряда факторов, связанных с характеристиками среды распространения радиоволн Главной причиной, влияющей па качество функционирования СРНС, является изменение скорости радиосигналов при их распространении в ионосфере и тропосфере Для уменьшения этого влияния используются измерения времени распространения сигналов на траектории ИСЗ-приемник на двух частотах Величина задержки между временами приема сигнала на разных частотах пропорциональна полному электронному содержанию (ПЭС) вдоль траектории распространения. Изменения ПЭС вызывают пропорциональные изменения фазы и искажения амплитуды радиосигнала Значения ПЭС I(t) в ионосфере вычисляются по данным фазовых измерений'

1

I(t) = —--J) j2 . [(¿Я -LM + const + nL],

40,308 -/2 2J'

где LjXj и ¿Дг - приращения фазового пути радиосигнала, вызванные задержкой фазы в ионосфере (м); Li L2 - число полных оборотов фазы, а X], Х2 - длины волн для частот // и /2; const некоторый неизвестный начальный фазовый путь (м); nL - ошибка в определении фазового пути (м). Величины ПЭС измеряются в единицах TECU (el/м2).

Использование даухчастотного режима позволяет компенсировать влияние ионосферных задержек и значительно повысить точность определения координат. Однако при неблагоприятных условиях измерений (например, во время сильных геомагнитных возмущений) происходят срывы по фазе и коду несущей на частотах /j и /j, В связи с чем нарушаеюя непрерывность и снижается точность навигационного обеспечения потребителей.

В главе приведено описание формата RINEX, ставшего стандартом де-факто информационного обмена данными измерений GPS-приемников. Файлы в формате RINEX содержат суточные записи наблюдений приемника за всеми видимыми ему спутниками: измерения псевдодальности на частотах f\ и fi, фазы сигналов LI, L2 и некоторые другие параметры Необходимые для геометрических расчетов эфемериды спутников содержатся в навигационном файле. Результаты измерений записываются с интервалом 30 с. Этот интервал называется отсчетом или эпохой измерений. Одни сутки содержат 2880 отсчетов.

Проведен обзор существующего программного обеспечения для обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-измерений. Для решения задач в области геодезии и геодинамики выделяются такие пакеты как GAMIT/GLOBK (Б.Кинг, Массачусетский технологический институт, США), GIPSY (Лаборатория реактивного движения, США), BERNESE (Европейский центр определения орбит, Швейцария), а также коммерческие программные комплексы фирм-производителей GPS-оборудования. Для преобразования форматов данных написаны разнообразные вспомогательные инструменты. Стоит отметить, что отечественное ПО пока представлено довольно слабо. Отдельного упоминания заслуживает комплекс GLOBDET, разработанный ИСЗФ СО РАН и предназначенный для фундаментальных исследований физики ионосферы.

Рассмотрена глобальная сеть двухчастотных GPS-приемников, проводящих измерения с высокой точностью. Они ежесуточно передают RINEX-файлы в центры обработки данных и далее в глобальные центры хранения. Центры хранения представляют собой Ар-серверы, к которым открыт публичный доступ через сеть Internet. Любой пользователь может «скачать» RINEX-файл и использовать его для своих потребностей. Общий объем накопленных с 1990 года данных на сервере SOPAC превышает 5 Тбайт. Поэтому получение необходимой информации при большом количестве рабочих GPS-станций становится трудоемким процессом, так как йр-сервер не предоставляет каких-либо средств для поиска, сортировки или выборки данных. Кроме того, для получения больших объемов информации в разумные сроки, необходимы широкополосные каналы доступа в Internet.

Во второй главе предложена и разработана комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников. Изложена концепция системы обработки, структура и функционирование программного комплекса. Рассмотрены методы анализа и построения информационных систем, этапы проектирования

ПО.

транспортное строительство

Сегмент пользователей

Сеть GPS станций

геодезические измерения

Рис. 1. Концепция системы автоматизированной обработки и анализа данных сети ОРБ-приемников.

Разработана БД GPS-измерений, проведено обоснование и выбор СУБД. Основой программного комплекса является БД, которая выступает в роли централизованного хранилища результатов GPS-измерений, полученных из RINEX-файлов. Она может размещаться как на локальном, так и удаленном веб-сервере сети Internet. Таким образом, информация становится доступной группе пользователей, работающей с различными приложениями в независимости от их местонахождения (см. рис.1). В случае локального размещения БД, доступ к информации организуется дня тематической исследовательской группы в рамках рабочего проекта (например, локальная сеть GPS-станций мониторинга протяженного железнодорожного тоннеля) В случае удаленного размещения БД, доступ к базе возможен из любой точки Земного шара, а исследования могут иметь глобальный и мультидисциплинарный фундаментальный характер.

Ключевым моментом является организация структуры БД. Отмечено, что RINEX-файлы являются по сути «контейнерами» для хранения информации. Все необходимые для обработки величины (углы и азимуты ИСЗ, координаты потребителя, значения ПЭС и др.) вычисляются по RINEX-файлам, и в дальнейшем RINEX-файлы уже не используются. Различные программные продукты используют свои собственные форматы файлов для хранения полученных результатов. Например, пакет GAMIT использует свыше 24(!) типов промежуточных файлов, что создает неудобства при проведении масштабных исследований. Возможности файловой системы ограничены и исследователю приходится продумывать способы хранения и организации экспериментальных данных В свою очередь, СУБД предоставляет эффективный способ обработки и управления информацией в сравнении с файловой системой. Поэтому в работе предложено хранить всю информацию в БД, причем только те параметры, которые действительно необходимы пользователю. На стороне пользователя установлено специальное ПО (например, CAE-система), с помощью которого производятся все необходимые расчеты, обработка и анализ данных с привлечением дополнительных модулей и библиотек. Программный комплекс реализован на аппаратной платформе Intel под управлением операционной системы Windows ХР. Для управления БД выбрана СУБД MySQL, а при написании программных модулей обработки использовался язык программирования Perl. Оба продукта поддерживают лицензию GNU, что существенно снижает затраты на внедрение.

В качестве платформы для вторичной обработки данных на стороне пользователя выбрана среда MatLab, которая является мощным инструментом научно-технических расчетов. Наличие встроенного языка программирования, а также большого количества сторонних разработок (модулей) позволяет реализовать практически любые прикладные задачи. Группы функций, выполняющие определенную работу, вынесены в отдельные файлы (сценарии), разделяя, таким образом, программный комплекс на модули. Модульная структура позволяет наращивать комплекс и расширять его функциональность путем разработки новых модулей по мере освоения новых исследовательских задач.

Модель взаимодействия пользователя, работающего в среде MatLab, с БД показана на рис.2. БД разделена на две логические области- рабочие данные и результаты. В первой области хранятся рабочие данные, полученные из исходных RINEX-файлов в результате первичной обработки На основе этой информации ведется вторичная обработка, поэтому с целью обеспечения ее целостности, пользователь имеет право лишь посылать запросы в эту область (т.е открыт доступ только для чтения). Обмен данными между БД И средой MatLab осуществляется с помощью стандартного интерфейса ODBC и языка запросов SQL. Область результатов предназначена для хранения результатов вторичной обработки. Как видно из рис.2, пользователь может не только получать, но и посылать свои данные. Если над задачей работает группа пользователей, то каждый участник получает доступ к результатам коллег Таким образом можно распределять задачи, повышая эффективность труда и следя за ходом выполнения работ. Даже, если пользователь системы всего один, наличие подобной области позволяет накапливать промежуточные результаты вне зависимости от CAE- и файловой систем, используя преимущества работы с СУБД. Роль администратора системы выполняет опытный пользователь с правами доступа ко всем областям БД Он следит за состоянием

системы, выполняет резервное копирование данных (дамп базы) и т.п. Механизм обеспечения привилегий или прав доступа, поддерживается всеми современными СУБД. Весь процесс обработки данных ОРв-измерений разделен на первичную и вторичную обработку.

Рис.2. Модель информационного обмена пользователя с базой данных.

Первичная обработка основывается на использовании программы TEQC и файлов-сценариев на языке Perl. Цель первичной обработки - подготовка исходных данных для последующего анализа. Результаты суточных измерений записываются GPS-приемниками в специальные бинарные файлы («сырые» данные), которые необходимо преобразовать в стандартный формат RINEX, для последующей обработки и анализа. Некоторые GPS-приемники сразу записывают результаты наблюдений в RINEX-файлы. Однако большинство приемников имеет свои собственные форматы представления данных, зачастую несовместимые с распространенным ПО обработки и анализа. Поэтому, как разработчиками GPS-приемншсов, так и сторонними фирмами, разрабатываются специальные утилиты-конверторы, преобразующие данные к сгацдартному формату RINEX.

Ьсновными задачами первичной обработки являются: преобразование исходных данных GPS-измерений в RINEX-файлы с последующим извлечением рабочей информации; создание БД с единой структурой; сокращение времени и трудозатраг вторичной обработки. Первичная обработка подразумевает извлечение (вычисление) необходимых параметров из исходных RINEX-файлов и загрузку полученной информации в БД. Для этого использована программа TEQC (Translate / Edit / Quality Check), которая «умеет» работать как с RINEX-файлами, так и со специальными форматами GPS-приемников. В результате формируется набор файлов в формате COMPACT, содержащих рабочие параметры (см. рис.3). Далее с помощью файла-сценария считывается необходимая информация, которая загружается в БД. Загрузка информации может происходить в обычном или потоковом режимах.

Вторичная обработка производится в среде MatLab с целью получения и анализа статистических характеристик погрешностей определения координат для одно- и двухчастотного режимов измерений GPS-приемника (кодовый и фазовый режимы соответственно), а также вариаций производной ионосферной задержки, пропорциональной ПЭС (dTEC/dt) и являющейся важной характеристикой, влияющей на качество функционирования СРНС. Основными задачами вторичной обработки являются:

• преобразование и обработка данных в формате COMPACT, полученных на этапе первичной обработки;

• восстановление геометрии эксперимента и пространственно-временных параметров ПЭС при различных геофизических условиях;

• определение статистических характеристик погрешностей определения координат (а) при одно- и двухчастотном режимах измерений;

• сглаживание временных рядов и снятие нелинейного тренда.

Унификация способов обработки данных, а также наличие единого рабочего пространства является особенностью процесса вторичной обработки.

Рис.3. Схема первичной обработки и загрузки информации в базу данных.

Благодаря наличию встроенного в \latLab языка программирования, написаны модули СОМРАСТЧоаЛ, скользящих функций, вычисления геодезических координат подионосферной точки, взаимодействия с БД, реализующие задачи вторичной обработки, а также сервисные функции, предназначенные для графической визуализации результатов.

В большинстве случаев рабочие параметры (кроме азимутов и углов возвышения) представляют собой временные ряда, которые можно представить в виде суммы некоторой систематической составляющей и случайных флуктуаций (отклонений):

5, =т + е„

где - некоторая детерминированная (неслучайная) функция времени, а е, - случайная величина. В функции /А) выделяют основную тенденцию или тренд, а также циклические составляющие Для упрощения анализа и обработки временных радов необходимо производить их фильтрацию (сглаживание), а так же проводить процедуру снятия нелинейного тренда. Механизм скользящих функций широко используется для обработки временных рядов, однако в среде МаЛ-аЬ его реализация не позволяет выделять нелинейный тренд. Поэтому для проведения процедуры сглаживания и снятия тренда написан соответствующий модуль. Для восстановления геометрии эксперимента и построения траекторий движения подионосферных точек написана специальная функция, рассчитывающая геодезическую широту и долготу проекции подионосферной точки. Таким образом, «модуль» (см. рис.2) в среде МаЛаЬ представляет собой алгоритм, оформленный в виде сценария или функции. Модули условно

делятся на рабочие, реализующие различные вычислительные алгоритмы (упомянутые ранее сглаживание рядов и снятие тренда, вычисление траекторий движения подионосферных точек) и сервисные, предназначенные для выполнения вспомогательных функций (пересчет шкал времени, нанесение маркеров и надписей на графики и т.п.).

В третьей главе проведено тестирование комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных GPS-приемников на примерах обработки банка данных станции ULAZ и сети японских GPS-станций. Дана оценка погрешности местоположения реперных точек при различных геофизических событиях. Приведено описание постоянно действующей GPS-станции ULAZ (созданной в рамках проекта ИНТА С №96-2194), характеристики двухчастотного GPS-приемника ASHTECH Z-FX и особенности цифрового банка данных спутниковых измерений. В табл.1 представлена статистика по результатам первичной обработки банка данных GPS-станции ULAZ. Суммарный объем рабочей информации за пять лет наблюдений составляет 12,3 Гбайт в 23802 файлах. В качестве примера статистики по БД приведены таблицы, содержащие параметры геодезической широты В, долготы L и высоты Н GPS-станции над уровнем моря. В табл.2 приведена статистика по результатам навигационных определений в кодовом режиме, характерном для одночастотной аппаратуры потребителей. Из таблицы видно, что среднеквадратичное отклонение (СКО) высоты точки в кодовом режиме варьируется в пределах 8-30 м. Дня одночастотных GPS-приемников полученная погрешность измерений по величине СКО является вполне приемлемой. Для повышения точности местоопределения необходим фазовый или двухчастотный режим измерений. В табл.3 и на рис.4 приведены результаты определений координат в фазовом режиме. При этом СКО варьируется в пределах 0,34 - 0,44 м для частоты L1 и 0,36 - 0,45 м для частоты L2. Фазовый центр антенны совершает периодические вариации по всем трем координатам в течении пяти лет измерений. Наблюдается также постепенная деградация (ухудшение) точности определения координат GPS-приемником. На рис.5 представлены гистограммы зависимостей СКО определения координат от угла возвышения спутника в течении суток на частотах // и fj соответственно. Как видно из графиков, для достижения наибольшей точности определения, необходимо наличие спутников, проходящих ближе к зениту.

Приведены результаты анализа сигналов навигационных ИСЗ во время сейсмических событий в Японии 23 октября 2004 г. Данные измерений ПЭС получены двухчастотными GPS-приемниками, расположенными в средней части острова Хонсю. Координаты станций и типы приемников представлены в табл.4. Координаты станций получены по данным Scripps Orbit and Permanent Array Center (SOPAC).

Таблица 1. Статистика по результатам первичной обработки банка данных ЦЬАЪ.

Год 1999 2000 2001 2002 | 2003

Информация на жестком диске

Исходные данные, Мб 784,834 2679,931 2818,390 3592,479 3112,840

Кол-во файлов 1840 5393 5829 5883 4857

Информация в БД (параметры B,L,H)

Число записей в таблице БД 239 140 982 883 1023 139 987 685 671 580

Объем таблицы данных, Мб 7,707 31,675 32,972 31,830 21,643

Объем таблицы индексов, Мб 3,340 13,724 14,274 13,789 9,368

Всего, Мб 11,047 45,399 47,246 45,619 31,011

Таблица 2, Статистические характеристики навигационных определений

Параметр Год

1999 2000 2001 2002 2003

Широта, град хх,8145

Долгота, град уу.6223

Высота, м 505,2 509,4 510,2 510,9 503,5

СКО, м 31,1 13,85 8,173 8,77 7,938

Объем выборки (отсчеты), N 183 536 828 682 923 589 909 730 630 461

Таблица 3. Результаты СКО фазовых определений на частотах Ы иЬ2

Параметр Год

1999 2000 2001 2002 2003

СКОЫ,м 0,3414 0,3456 0,3431 0,4147 0,4447

СКО L2, м 0,3659 0,3727 0,3694 0,4443 0,4522

Объем выборки (дни), N 87 348 362 354 291

Л" -

100 200 300 <00

Время, дни

S

о 05 «

о „

1999

1UU ЛЮ 300 4СО

2000

1Q0 200 300 400

2001

100 200 300 ЮЗ

2002

.-у.

2003

100 200 300 «Ю

Время, дни

Рис.4 Зависимость СКО фазовых определений на частотах L1 и L2 GPS от времени.

ГСНЯ29ЯЭ1а«ЗОЯЕО65Я>75а0К

Рис.5. Зависимость СКО от угла возвышения спутника на частотах/; и/} в течении суток

1.07.2000 г.

Станции mizu и tskb оборудованы приемниками типа АОА BENCHMARK, и антенной AOAD/M_T. 23 октября (297 день) максимальная погрешность измерений (СКО) на частотах ft и f? составила 0,48 м и 0,47 м для станции mizu, 0,18 м и 0,19 м для tskb. При этом на станции tskb зафиксировано 9 срывов фазы (slips) несущей на частоте //, а так же 32 срыва на частоте f2. На станции mizu суммарно отмечено 660 срывов фазы несущей на частоте fi и 579 срывов на частоте f2. Во всех случаях сбои наблюдаются, в основном, на низких углах возвышения (порядка 5-25°). Станции usud и kgnO оборудованы приемниками типа ASHTRCII Z-ХПЗ с антеннами AOAD/M_T и ASH701073.1 соответственно. Погрешность измерений на частотах // и Уз составила 0,26 м и 0,29 м для usud, 0,53 м и 0,55 м для kgnO. При этом на станции usud отмечено 23 и 21 сбой на частотах fi и f2, в то время как на kgnO отмечено лишь 10 сбоев на одной частоте/¡. Как и в предыдущем случае, сбои происходили при низких углах возвышения (порядка 5-35°) На рис.6 приведены вариации координат GPS-станций (географической широты и долготы), а результаты измерений вертикальной составляющей (высоты антенны) в течении суток представлены на рис.7 Четко выделены области наиболее вероятных значений и характерные выбросы. При этом точность вертикальных измерений ниже по сравнению с горизонтальными. Как правило, величина погрешности измерений существенно возрастает на малых углах возвышения, что связано как с эффектом многолучевости из-за переотражения сш нала от окружающих предметов или особенностей рельефа местности, так и влиянием тропосферы и ионосферы. При проведении экспериментов в качестве рабочих выбирались спутники с максимальными углами возвышения (80-90°).

На сегодняшний день одним из перспективных методов анализа GPS-спутниковых данных является вейвлет-анализ. Исходный ряд значений производной ПЭС (dTEC/dt) для станции tskb представлен на рис.8а. Ряды анализируются вейвлетом типа Мексиканская шляпа (Mexican hat), который определен как оптимальный для поиска и детектирования одиночных N-образных импульсов-всплесков (локальные минимумы и максимумы сигнала). Как видно из рис.86, в результате фильтрации исключаются флуктуации (шум) и выявляется форма сигнала. Видны характерные N-образные колебания после сейсмических событий. На рис.9 приведена спектрограмма сигнала PRN 19, представленная в вейвлет-плоскости «масштаб - время». Максимальное количество уровней разложения равно восьми, анализ проведен с шагом 0,05. Как видно из графика, характерные всплески детектируются, практически сразу же после события.

________________________Таблица 4. Рабочие GPS-станции.

Тт, Г" Высота над

Г I I I rt fTrjVfn ГЧЧП TV I ~

Станция Город

mizu tskb usud kgnO

Muzisawa Tsukuba Usuda Koganei

Широта,град ' Долгота,град 1 141.1300

39.1400 36.1057 36.1331 35.7068

140.0875 138.3620 139.4885

уровнем моря, м

75.6"_"

67.6 _

1509.Ö 128.5

Тип приемника

АОА BENCHMARK ACT АОА BENCHMARK ACT ASHTECH Z-XII3 ASHTECH Z-XII3T

Рис 6. Вариации координат репера в течении суток (23.10.2004) для станций 1зкЬ(а), цбЫ (Ь), к^О (с) и гшги (б).

ИО|----- -г-у---■-.- 1JQ - 260 SOO 750 lOOO 129О 150С

1вао ----г ■ ■ "г ieeo - { Z Lr^j^j^ S0<£l 25D SOO 760 lOOO \J\ 12SO 1SOO

200 i---—-,-1-,— -----) --1- 10O • 12% asa soo reo lOOO 1390 isoo

180 |-1---1----- «4 — ' Kb ■ -60В-Д ■

Рие.7 Вариации измерений высоты репера (м) для станций йкЬ (а), (б), к^О (в) и тгйха (г) в течении суток (23.10.2004).

, Лпвьшаяшм сыц^й"2ОТД) Ык|*_237_1Э_|| (2В721

Ш J

В О,

V I 1 1 -

>и m m im ню ом «и мм CMflktanlaLhw-C%b Нгыя1шш**л CftHIUH*»' MH>

11 1 1 ;—|V\/V\AAA^V-V^MAA r » , 1 1 1 1 1 1 -

1«м ни

Время, отсчеты

Рис.8. Ряды значений производной временной задержки dTEC/dt, полученные по станции tskb, на 23 октября 2004 г. (DAY 297, PRN 19). Вертикальной чертой отмечен момент основного толчка Mw = 6.6 (08:56:01 UTC).

Ca,b Coefficients - Coloration mode: in* + all scale* * abs

Scale of colors from MMto MAX

Рис 9 Исходный сигнал (производная временной задержки dTEC/dt для PRN 19) по GPS-станпии tskb, представленный в вейвлет-плоскости (масштаб - время). Маркером отмечен момент основного толчка Mw = 6.6 (08'56:01 UTC).

В заключении сформулированы основные результаты:

1 На основе анализа имеющихся подходов и программных средств для обработки и анализа данных GPS-приемников установлено, что существующие решения не обеспечивают эффективного управления информационными потоками и являются узкоспециализированными.

2 Предложены и реализованы алгоритмы и методы, составляющие основу комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников Разработанный комплекс представляет собой эффективный инструмент для анализа работы системы GPS (TJIOHACC) в экстремальных условиях, позволяющий повысить качество принимаемых решений при эксплуатации технических средств железнодорожного транспорта с использованием СРНС.

3. Разработан способ хранения и управления информацией навигационных ИСЗ на основе СУБД MySQL, позволяющий оптимизировать информационные потоки Весь процесс обработки данных GPS-измерсний разделен на первичную и вторичную обработку. Первичная обработка основывается на использовании программы TEQC и файлов-сценариев на языке Perl. Использование файлов-сценариев позволяет полностью автоматизировать процесс первичпой обработки. Вторичная обработка производится в среде MatLab, для которой разработаны и написаны модули COMPACT-load, скользящих функций, вычисления геодезических координат подионосферной точки, взаимодействия с БД, а также сервисные функции, предназначенные для графической визуализации результатов.

4 Тестирование и оценка тактико-технических характеристик разработанного комплекса показали высокое быстродействие и эффективность управления информационными потоками. Суммарный объем обработанных рабочих данных составил 12,5 Гб.

5. В результате системного анализа GPS-данных, получены точностные характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ за период жизненного цикла двухчастотного GPS-приемника ASHTECH Z-FX. Показано, что погрешность фазовых измерений (СКО = 0,34 - 0,45 м) на частотах Li и Lj на порядок ниже навигационных определений в кодовом режиме (СКО = 8-30 м). Распределение погрешностей измерения пространственных координат подчиняется нормальному закону, при этом величина погрешности измерений существенно возрастает на малых углах возвышения (менее 20°). Установлено, что фазовый центр антенны «Choke Ring» GPS-приемника, размещенной на специальном монолитном основании, совершает сезонные периодические вариации по трем координатам в течении всего почти пятилетнего цикла наблюдений. Вариации обусловлены температурным режимом в приемной точке.

6. Предложен новый метод детектирования ионосферных возмущений на основе вейвлет-анализа Получены и представлены в виде вейвлет-спектрограмм частотно-временные зависимости возмущений ПЭС, отражающие отклик ионосферы на сейсмические события.

7 На основе данных сети японских GPS-станций определены пространственно-временные характеристики крупномасштабных возмущений среднепшротной ионосферы во время сильных землетрясений 23 октября 2004 года на острове Хонсю. Установлено, что возмущение ПЭС носит характер N-образного колебания (ударная волна), проявляющегося в виде увеличения амплитуды производной dTEC/dt, практически сразу же после начала землетрясения Величина отклика напрямую зависит от геометрии эксперимента (взаимного расположения эпицентра и узлов GPS-решетки).

Предложенная комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных GPS-приемников создает основу для разработки многопараметрических математических и физических моделей учета влияния окружающей среды на системы железнодорожного транспорта, использующие СРНС. Эти модели необходимы для разработки практических методов обеспечения надежности и эффективности эксплуатации объектов транспортной инфраструктуры. Предложенные принципы диагностики канала передачи навигационной информации через ионосферу-тропосферу позволяют решать важные практические задачи высокоточной радионавигации и радиогеодезии в интересах различных потребителей. Они повышают уровень понимания физических процессов, протекающих в различных оболочках Земли (литосфера, атмосфера, ионосфера).

Дальнейшие исследования целесообразно ориентировать в сторону более глубокого теоретического анализа прямых и обратных задач диагностики как технического комплекса, так и околоземного космического пространства, накопления статистического материала о точное гных характеристиках отечественных и зарубежных приемных устройствах СРНС. Представляв! ся также необходимой реализация отраслевой автоматизированной информационной базы данных на основе существующей российской сети опорных станций и математических моделей прогнозирования сбоев аппаратуры СРНС.

Основные публикации по теме диссертации

1 Афраймович Э.Л., Климов H.H., Козиенко J1.B., Косогоров Е.А., Лесюта О.С., Ушаков И.И. О сбоях, возникающих во время геомагнитных возмущений в работе спутниковых систем местоопределения транспортных средств. // Транспортные проблемы сибирского региона: Сборник научных трудов. - Иркутск: ИРИИТ, 2001.4.1. С.33-41.

2. Козиенко Л В., Башкуев Ю.Б., Климов H.H., Афраймович Э.Л. Применение спутниковой технологии для управления движением поездов. Н Новые Материалы и Технологии - НМТ-2002 Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 22-23 октября 2002 г. В 4 томах. - М.. Издатсльско-типографский центр «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002. ТЗ. С.37-38.

3. Козиенко Л.В., Косогоров Е.А., Афраймович Э.Л., Башкуев Ю Б. Спутниковая радионавигация на железнодорожном транспорте. // Вестник инженеров-электромехаников железнодорожного транспорта Самара, 2003. Вып. №1. С. 80-84.

4. Козиенко Л.В., Башкуев Ю.Б. Использование дифференциального режима спутниковой радионавигации на железнодорожном транспорте. // Научно-техническое и экономическое сотрудничество стран АТР в XXI веке: Труды Третьей Международной научной конференции творческой молодежи, 15-17 апреля 2003 г. - Хабаровск: Изд-во ДВГУПС, 2003. Т.1. С 52-56.

5. L.V. Kozienko and Yu.B. Bashkuev Using GPS/GLONASS at railways applications in Russia (Current status overview) Proceedings of 2003 International Symposium on GPS/GNSS (Technical Session of 2003 Joint International Conference on GPS/GNSS in Tokyo), November 15-18, 2003, Tokyo, Japan: p.101-106.

6 Козиенко JI.B., Башкуев Ю.Б Оценка погрешностей определения координат с помощью двух частотного GPS приемника. // Наука и образование - 2004: Материалы Международной научно-технической конференции (Мурманск, 7-15 апреля 2004 г.): В 6 ч. - Мурманск: МГТУ, 2004.4.5. С.271-274.

7 Башкуев Ю.Б., Дембелов М.Г, Козиенко JI.B Зона обслуживания СВ радиомаяка для передачи дифференциальных поправок глобальных навигационных спутниковых систем. // Труды 2-й международной научно-технической конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт". Тобольск, 8-11 сентября 2004. С.40-44.

8. Козиенко JI.B. Обработка и анализ данных GPS приемников. // Наука. Технологии. Инновации Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004 4.1. С.169-170.

9. Козиенко JI.B., Башкуев Ю.Б. Технология автоматизированной обработки и анализа данных глобальной сети GPS приемников. // Новые Материалы и Технологии - НМТ-2004. Тезисы докладов Всероссийской научно-технической конференции. Москва, 17-19 ноября 2004i. В 4 томах. - М.: Издательско-типографский центр «МАТИ» - РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2002. Т2. С.49-50.

10 Козиенко Л.В. Вейвлет-анализ нестационарных сигналов. // Транссибирская магистраль -важнейшее звено евроазиатского транспортного коридора. ЗабИЖТ. 2005. С.98-101

Подписано в печать 11.05.2005 г. Формат 60x84'/, Бумага офсетная. Печать трафаретная. Гарнитура "Times". Усл.-печ. л. 0,99.

ПД № 13-0030 от 21.03.2001 Отпечатано в Глазковской типографии, г. Иркутск, ул. Гоголя, 53. Тираж 100 экз.

*

i

V

II 004 8

PHB PyccKMH (|)oha

2006-4 15853

Список обозначений и сокращений.

Введение.

1. Обзор технологий обработки и анализа GPS-данных

1.1 Функционирование навигационной системы GPS.

1.1.1 Назначение, состав и принцип действия навигационной системы GPS.

1.1.2 Способы определения координат.

1.1.3 Погрешности определения координат (точностные характеристики).

1.1.4 Особенности дифференциального режима.

1.1.5 Области применения системы GPS.

1.2 Особенности обработки данных GPS-приемников.

1.2.1 Методы обработки данных GPS-измерений.

1.2.2 Формат RINEX как основа информационного обмена данными

1.2.3 Обзор программного обеспечения обработки и анализа данных GPS-приемников.

1.3 Глобальная сеть двухчастотных GPS-приемников.

2. Комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных многоканальных GPS-приемников

2.1 Концепция системы обработки, структура и функционирование программного комплекса.

2.1.1 Анализ информационных потоков.

2.1.2 Стадии разработки информационных систем.

2.1.3 Состав и формирование требований к программному комплексу.

2.2 База данных GPS-измерений.

2.2.1 Архитектура систем баз данных.

2.2.2 Реляционная модель данных.

2.2.3 Язык SQL. 2.2.4 Обоснование и выбор СУБД программного комплекса.

2.2.5 Структура базы данных программного комплекса.

2.3 Реализация программного комплекса обработки и анализа данных.

2.3.1 Первичная обработка данных.

2.3.1.1 Цель и задачи первичной обработки данных.

2.3.1.2 Алгоритм первичной обработки.

2.3.1.3 Программа TEQC.

2.3.1.4 Сценарии обработки на языке Perl.

2.3.2 Вторичная обработка данных.

2.3.2.1 Основные принципы и задачи вторичной обработки данных.

2.3.2.2 Возможности и особенности использования системы MatLab.

2.3.2.3 Особенности работы с m-файлами сценариев (функций)

2.3.2.4 Механизм взаимодействия с базой данных.

2.3.3 Алгоритмы и модули вторичной обработки данных.

2.3.3.1 Модуль COMPACT-load.

2.3.3.2 Модуль скользящих функций.

2.3.3.3 Алгоритм вычисления геодезических координат проекции подионосферной точки.

2.4 Выводы по второй главе.

3. Тестирование комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных GPS-приемников

3.1 Обработка и анализ данных на примере постоянно-действующей

GPS-станции ULAZ.

3.1.1 Структура и функционирование постоянно-действующей GPS-станции ULAZ.

3.1.1.1 Структура GPS-станции ULAZ.

3.1.1.2 Характеристики двухчастотного GPS-приемника ASHTECH Z-12.

3.1.1.3 Банк данных GPS-измерений (1999-2003 г.г.).

3.1.2 Обработка результатов измерений банка данных ULAZ.

3.1.2.1 Статистика и результаты первичной обработки данных

3.1.2.2 Результаты вторичной обработки суточных данных.

3.1.3 Обсуждение результатов.

3.2 Обработка данных приемников GPS-решетки на примере сети японских GPS-станций.

3.2.1 Структура и состав GPS-решетки.

3.2.2 Первичная обработка данных сети GPS-станций.

3.2.3 Вторичная обработка данных сети GPS-станций.

3.2.4 Обсуждение результатов.

3.3 Применение вейвлетов для анализа данных двухчастотных GPS-приемников.

3.3.1 Особенности вейвлет-анализа данных двухчастотных GPS-приемников.

3.3.2 Фильтрация навигационных сигналов.

3.3.3 Частотно-временное представление сигналов.

3.4 Выводы по третьей главе.

Актуальность темы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) характеризуются охватом всего Земного шара и ближнего околоземного космического пространства и отсутствием ограничений по числу обслуживаемых потребителей. СРНС обеспечивают точное трехмерное определение координат и вектора скорости подвижных объектов в реальном масштабе времени вне зависимости от их географического положения, времени и метеорологических условий.

В настоящее время происходит интенсивное освоение и применение СРНС GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) в различных отраслях народного хозяйства и, в частности, на железнодорожном транспорте [70]. Аппаратура СРНС, позволяющая определять координаты и скорость движения локомотива, может в комплексе с соответствующими средствами связи стать основой для построения центров управления перевозками, работающими в реальном масштабе времени. Возможности СРНС ГЛОНАСС/GPS позволяют проводить мониторинг состояния железнодорожных путей и сооружений, осуществлять контроль свободности участков пути и решать другие транспортные задачи.

В рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» (Постановление Правительства РФ от 20 августа 2001г. № 587) [72] в интересах железнодорожного транспорта предусматривается повышение безопасности, точности и оперативности координатно-временных определений, а также создание дифференциальных подсистем для решения целого ряда задач (навигация подвижных объектов, высокоточная привязка при геодезическом обеспечении строительства и текущего содержания железнодорожных путей, мостов и тоннелей).

Такие широкие перспективы использования СРНС приводят к необходимости детального изучения информационных параметров самих систем спутниковой навигации, в том числе надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при их эксплуатации в экстремальных условиях, например, во время сильных геомагнитных возмущений. Качество функционирования СРНС ГЛОНАСС/GPS ограничивается влиянием ряда факторов, связанных с характеристиками среды распространения радиоволн. Технологии на основе СРНС входят в «Перечень основных проблем развития железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований (приложение № 1 к указанию МПС России от 26.12.02 № Я-1272у, позиция 5.4.). Разработка физических и математических моделей учета влияния среды на транспортные системы также входит в этот Перечень (позиция 11.6).

Объем информации, получаемый в результате тематической обработки данных GPS-приемников, постоянно увеличивается, поэтому на первый план выходят задачи ее анализа, оптимизации и структуризации. Существующее программное обеспечение (как коммерческое, так и бесплатное) обработки данных GPS-приемников нацелено на решение узкоспециализированных задач. Вопрос о создании системы обработки спутниковой информации при проведении исследований с использованием СРНС в интересах железнодорожного транспорта остается открытым. Требуется решить взаимосвязанный круг задач от организации структуры экспериментальных данных до алгоритмов и методов обработки и анализа полученной информации. Адаптация же существующих решений сопоставима с разработкой программного обеспечения с нуля.

Целью диссертационной работы является создание комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников для оценки точности, надежности и эффективности функционирования системы GPS на железнодорожном транспорте.

Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:

1. Провести анализ имеющихся подходов и программных средств, используемых для обработки данных GPS-приемников.

2. Разработать концепцию программного комплекса, на основе информационных потоков выявить структуру приложения и формы представления данных.

3. Реализовать комплексную систему: провести обоснование и выбор аппаратно-программной платформы, спроектировать базу данных, разработать алгоритмы и программные модули для тематической обработки информации.

4. Провести тестирование и оценить характеристики программного комплекса на основе обработки и анализа цифрового банка данных спутниковых измерений постоянно-действующей GPS-станции ULAZ.

5. Определить точностные характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ в кодовом и фазовом режимах измерений за продолжительный период времени двухчастотным многоканальным GPS-приемником ASHTECH Z-FX.

6. На основе вейвлет-анализа определить пространственно-временные характеристики крупномасштабных ионосферных возмущений при сильных сейсмических событиях.

Научная новизна работы заключается в следующем:

1. Предложена, разработана и реализована комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников.

2. На основе вейвлет-анализа предложен новый метод детектирования ионосферных возмущений, позволяющий оценить эффективность функционирования системы GPS во время различных геофизических событий (землетрясения, магнитные бури и т.п.).

3. Создан проблемно-ориентированный инструмент для анализа работы системы GPS (ГЛОНАСС), позволяющий повысить надежность и качество эксплуатации технических средств железнодорожного транспорта, использующих СРНС, в экстремальных геофизических условиях.

4. Разработан способ хранения и управления информацией навигационных искусственных спутников Земли (ИСЗ) на основе системы управления базами данных (СУБД) MySQL, позволяющий оптимизировать информационные потоки, а также компьютерные методы обработки, предназначенные для визуализации, трансформации и анализа спутниковой информации, получаемой с помощью GPS-приемников.

5. На основе разработанных методов, алгоритмов и программ получены точностные характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ; определены пространственно-временные характеристики крупномасштабных возмущений среднеширотной ионосферы во время «роя» сильных землетрясений 23 октября 2004 года в Японии. Достоверность полученных результатов, подтверждается тестированием алгоритмов и программ, физическим обоснованием предложенных методов, их проверкой вычислительными экспериментами и представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах результаты находятся в качественном и количественном согласии с данными независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами.

Практическая ценность работы. Разработанная методика и программный комплекс использованы при выполнении НИР «Совершенствование технологии высокоточного спутникового позиционирования (GPS-ГЛОНАСС) для объектов железнодорожного транспорта с учетом космической погоды» (ИрГУПС, 2004). Созданная на основе цифрового банка данных постоянно-действующей GPS-станции ULAZ база данных представляет собой уникальный материал для геодинамических, геофизических и радиофизических исследований, поскольку сеть GPS-приемников в этом регионе практически отсутствует, а ближайшие пункты наблюдений находятся в г. Красноярске, Иркутске и Якутске. Разработанные в диссертации концепция, алгоритмы и методы, а также программы-модули могут использоваться . при разработке специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации СРНС.

Личный вклад автора. Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены лично автором. Автору принадлежит разработка концепции комплексной системы, проведение анализа предметной области, построение модели программного комплекса, проектирование структуры БД, определение тактико-технических требований к программному комплексу и разработка технических решений для их реализации, включая обоснование и выбор аппаратно-программной платформы и написание комплекта типовых сценариев, модулей и подпрограмм. Сравнение результатов первичной и вторичной обработки комплексной системы с результатами, полученными другими программными средствами и тестирование на примере обработки и анализа цифрового банка данных GPS-станции ULAZ (около 3 Гб архивной информации), а также сети японских GPS-станций.

На защиту выносятся следующие положения и результаты:

1. Алгоритмы и методы, составляющие основу комплексной системы обработки и анализа спутниковой информации, получаемой с помощью GPS-приемников.

2. Метод детектирования ионосферных возмущений на основе вейвлет-анализа данных сети GPS-станций для оценки эффективности функционирования системы GPS при различных геофизических событиях.

3. Результаты системного анализа спутниковой информации, полученной за период с июля 1999 по декабрь 2003 г. двухчастотным GPS-приемником ASHTECH Z-FX, на основе цифрового банка данных станции ULAZ.

Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:

• Всероссийской научно-технической конференции «Новые Материалы • и Технологии» (Москва, 2002, 2004);

• 2003 International Symposium on GPS/GNSS: Technical Session of 2003 Joint International Conference on GPS/GNSS in Tokyo (Токио, 2003: участие поддержано грантом Российского Фонда Фундаментальных Исследований № 03-07-93545);

• III Международной научной конференции творческой молодежи

Хабаровск, 2003);

• Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2004);

• II Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004);

• Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2004).

• Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Иркутск, 2005).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 140 наименований литературных источников. Общий объем диссертации — 171 страница, включая 9 таблиц, 47 рисунков и 6 приложений на 11 страницах.

3.4 Выводы по третьей главе

В третьей главе проведено тестирование комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных GPS-приемников, при этом достигнуты следующие результаты:

1. Накоплен и обработан цифровой банк данных результатов непрерывных GPS-измерений, полученных на постоянно-действующей станции ULAZ за период с 1999 по 2003 г.г. общим объемом около 3 Гб архивной информации. Суммарный объем обработанных данных составляет 12,5 Гб. Затраты времени на первичную обработку годового массива данных в автоматическом режиме составляют 50-60 мин.

2. Получены статистические характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ, измеренные за период с июля 1999 по декабрь 2003 г.г. двухчастотным GPS-приемником ASHTECH Z-12.

3. Показано, что погрешность фазовых измерений (СКО = 0,34 - 0,45 м) на частотах Li и L2 на порядок ниже навигационных определений в кодовом режиме (СКО = 8-15 м), а распределение погрешностей измерения пространственных координат подчиняется нормальному (гауссовскому) закону. Установлено, что величина погрешности измерений существенно возрастает на малых углах возвышения (менее 20°).

4. Установлено, что фазовый центр «Choke Ring» антенны GPS-приемника, размещенной на специальном монолитном основании, совершает сезонные периодические вариации по трем координатам в течении всего почти пятилетнего цикла наблюдений. Вариации обусловлены температурным режимом в приемной точке.

5. Определены пространственно-временные характеристики крупномасштабных перемещающихся возмущений среднеширотной ионосферы во время сильных землетрясений 23 октября 2004 года в Японии на основе данных сети японских GPS-станций. Предложен новый метод детектирования ионосферных возмущений на основе вейвлет-анализа.

6. Установлено, что возмущение ПЭС носит характер N-образного колебания (ударная волна), проявляющегося в виде увеличения амплитуды производной dTEC/dt, практически сразу же после начала землетрясения. Величина отклика напрямую зависит от геометрии эксперимента (взаимного расположения эпицентра и узлов GPS-решетки).

7. Частотно-временные зависимости возмущений ПЭС представлены в виде вейвлет-спектрограмм, отражающих отклик ионосферы на сейсмические события. Анализ проведен с помощью вейвлета Mexican Hat (вторая производная гауссовой вейвлет-функции).

Полученные в экспериментах результаты находятся в качественном и количественном согласии с данными независимых исследований, опубликованных ранее другими авторами.

Заключение

На основе анализа имеющихся подходов и программных средств для обработки и анализа данных GPS-приемников установлено, что существующие решения не обеспечивают эффективного управления информационными потоками и являются узкоспециализированными. Комплексное рассмотрение природных факторов показало, что главной причиной, влияющей на качество функционирования СРНС, является изменение величины задержки радиосигналов при распространении в ионосфере и тропосфере.

Предложена, разработана и реализована комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников, представляющая собой эффективный инструмент для анализа работы системы GPS (ГЛОНАСС) в экстремальных условиях, позволяющая повысить качество принимаемых решений при эксплуатации технических средств железнодорожного транспорта с использованием СРНС.

Предложенная комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных GPS-приемников создает основу для разработки многопараметрических математических и физических моделей учета влияния окружающей среды на системы железнодорожного транспорта, использующие СРНС. Эти модели необходимы для разработки практических методов обеспечения надежности и эффективности эксплуатации объектов транспортной инфраструктуры. Предложенные принципы диагностики канала передачи навигационной информации через ионосферу-тропосферу позволяют решать важные практические задачи высокоточной радионавигации и радиогеодезии в интересах различных потребителей. Они повышают уровень понимания физических процессов, протекающих в различных оболочках Земли (литосфера, атмосфера, ионосфера).

Дальнейшие исследования целесообразно ориентировать в сторону более глубокого теоретического анализа прямых и обратных задач диагностики как технического комплекса, так и околоземного космического пространства, накопления статистического материала о точностных характеристиках отечественных и зарубежных приемных устройствах СРНС. Представляется также необходимой реализация отраслевой автоматизированной информационной базы данных на основе существующей российской сети опорных станций и математических моделей прогнозирования сбоев аппаратуры СРНС.

Благодарности

Автор искренне благодарит своего научного руководителя д.т.н., профессора Ю.Б. Башкуева.

Автор выражает благодарность заведующему кафедрой Телекоммуникационных Систем ИрГУПС д.ф.-м.н., проф. Н.Н. Климову; д.ф.-м.н., проф. Э.Л. Афраймовичу и Е.А. Косогорову из группы GPS-мониторинга ИСЗФ СО РАН за предоставленный программный комплекс GLOBDET и помощь при его освоении; сотрудникам лаборатории геоэлектромагнетизма Отдела физических проблем при Президиуме БНЦ СО РАН (г.Улан-Удэ); Луису Эсти (Louis Estey) из центра UNAVCO (Болдер, штат Колорадо), автору программы TEQC, за исчерпывающие ответы на вопросы и полезные комментарии по программе; Бобу Кингу (Bob King) из Массачусетского Технологического Института (Department of Earth, Atmospheric, and Planetary Sciences) за предоставленный программный комплекс GAMIT/GLOBK.

Автор также благодарит системного программиста Н.С. Новикова за консультации по языку Perl и технологиям баз данных; инженера-программиста В.П. Беликова компании АЛРОСА (п.Айхал), ведущего программиста компании Байк.Ру (г.Иркутск) Е.А. Чуйкова и А.В. Костина за поддержку в области информационных технологий; специалиста в области скриптового программирования Пола Сайберта (Paul Siberdt) и ведущего разработчика Жана Бьюка (Jan Beuck) из компании Master Creating (г.Гамбург), поддержка и внимание которых способствовали выполнению данной работы.

1. Аладьев В.З., Шишаков M.JL Введение в среду пакета Mathematica 2.2 -М.: Информационно-издательский дом "Филинъ", 1997. 368 с.

2. Ален И. Голуб. С и С++. Правила программирования / Пер. с англ. В.Б. Зацепина; Под ред. В. Костенко. М.: БИНОМ, 1996. - 272 с.

3. Атре Ш. Структурный подход к организации баз данных / Пер. с англ. А.А. Александрова и В.И. Будзко; Под ред. В.И. Будзко. М.: Финансы и статистика, 1983. - 317 с.

4. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А. Автоматизированный комплекс обработки информации глобальной сети GPS-приемников. Информационные системы контроля и управления на транспорте: Сб.науч.тр. Иркутск: ИрИИТ, 2002, Вып. 10, С.61-66.

5. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А. Управление информационными потоками при обработке данных глобальной сети GPS-приемников. Информационные системы контроля и управления на транспорте: Сб.науч.тр. Иркутск: ИрИИТ, 2002, Вып. 10, С.67-74.

6. Афраймович Э.Л., Косогоров Е.А., Плотников А.В., Уралов A.M. Параметры ударно-акустических волн, генерируемых при землетрясениях. // Физика Земли. 2001. N.6, С.1-13.

7. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. — М.: Машиностроение, 1991.-512 с.

8. Берколайко М. 3., Новиков И. Я. О бесконечно гладких почти-всплесках с компактным носителем. // Доклады РАН, 1992, т.326, № 6, С.935-938.

9. Бойко В.В., Савинков В.М. Проектирование баз данных информационных систем. М.: Финансы и статистика, 1989. - 351 с.

10. Боуман Д, Эмерсон С., Дарновски М. Практическое руководство по SQL. -Киев: Диалектика, 1997.

11. Васекин А.И., Болдырев В.И., Чмых М.К. Космические технологии на железнодорожном транспорте // АТС, 1998, N 9, С.8-9.

12. Вентцель Е.С. Теория вероятностей. М.: Высш. шк., 1998. - 576 с.

13. Гинзбург B.J1. Распространение электромагнитных волн в плазме. М.: Наука, 1967.-684 с.

14. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: Редакция 5.0, 2002.

15. Говорухин В.Н., Цибулин В.Г. Введение в Maple. Математический пакет для всех. М.: Мир, 1997. - 208 с.

16. Грабер М. Введение в SQL. М.: Лори, 1996. - 379 с.

17. Грибунин В. Теория и практика вейвлет-преобразования. // Ресурс Internet: http://www.autex.spb.ru/wavelet/

18. Гурин С.Е. Применение сетевых спутниковых систем второго поколения ГЛОНАСС/GPS для целей управления инфраструктурой железнодорожного транспорта. Дисс. на соиск. уч-степ. к.т.н., МИИТ, 2002.-215 с.

19. Дастин Э., Рэшка Дж., Пол Д. Автоматизированное тестирование программного обеспечения. М.: Лори, 2003. - 592 с.

20. Дейт К. Введение в системы баз данных //6-издание. Киев: Диалектика, 1998.-784 с.

21. Демьянов В.В. Коррекция глобальной модели полного электронного содержания по текущим измерениям ионосферной задержки сигналов спутниковых радионавигационных систем. Автореферат дисс. на соиск. уч-степ. к.т.н., ИГУ, 2000. 17 с.

22. Диго С.М. Проектирование и использование баз данных. М.: Финансы и статистика, 1995. - 208 с.

23. Дремин И.М., Иванов О.В., Нечитайло В.А. Вейвлеты и их использование. // УФН 2001, т.171, №5, С.465-501.

24. Дьяконов В. П. Maple 9 в математике, физике и образовании. М.: СОЛОН, 2004. - 688 с.

25. Дьяконов В. П. Вейвлеты. От теории к практике. 2-е издание, переработанное и дополненное. М.: СОЛОН, 2004. - 400 с.

26. Дьяконов В. П. Компьютерная математика. Теория и практика. — М.: Нолидж, 2001.-1296 с.

27. Дьяконов В. П., Абраменкова И.В. Mathcad 8 PRO в математике, физике и Internet. М.: Нолидж, 2000. - 512 с.

28. Дьяконов В.П., Абраменкова И.В. MATLAB. Обработка сигналов и изображений. Специальный справочник. СПб.: Питер, 2002. - 608 с.

29. Дэвис К. Радиоволны в ионосфере. М.: Мир, 1973.

30. Иванов М.П., Кашинов В.В. Экспериментальная проверка помехозащищенности американской спутниковой навигационнойсистемы GPS.// Ресурс Internet:http://www.laboratory.ru/articl/rad/rar020.htm

31. Карл И. Вигерс. Разработка требований к программному обеспечению. — М.: Русская Редакция, 2004. 576 с.

32. Кильдишев Г.С., Френкель А. А. Анализ временных рядов и прогнозирование. -М.: Статистика, 1973. 255 с.

33. Кириллов В.В. Структурированный язык запросов (SQL). СПб.: ИТМО, 1994.-80 с.

34. КЛУБ комплексное локомотивное устройство безопасности. Разработка ОАО "Ижевский радиозавод". // Ресурс Internet: http://www.irz.ru/products/zhd/club и/

35. Козиенко Л.В. Обработка и анализ данных GPS приемников. // Наука. Технологии. Инновации. Материалы всероссийской научной конференции молодых ученых в 6-ти частях. Новосибирск: Изд-во НГТУ, 2004. 4.1. С.169-170.

36. Козиенко Л.В., Косогоров Е.А., Афраймович Э.Л., Башкуев Ю.Б. Спутниковая радионавигация на железнодорожном транспорте. // Вестник инженеров-электромехаников железнодорожного транспорта. Выпуск №1. Самара, 2003, С.80-84.

37. Концепция создания и использования дифференциальных подсистем ГНСС ГЛОНАСС/GPS на внутреннем водном транспорте. Утверждена 22.07.03. // Ресурс Интернет: http://www.rechflot.mintrans.ru/Prikazi/Prikaz 2003/koncepcia GLONAS.doc

38. Котяшкин С.И. Определение ионосферной задержки сигнала в одночастотной аппаратуре потребителя спутниковой системы навигации NAVSTAR. //Зарубежная радиоэлектроника, 1985, №5, С.85-95.

39. Кристиансен Т., Торкингтон Н. Perl: библиотека программиста СПб: Питер, 2001.-736 с.

40. Ларри Леви. Применение фильтра Калмана в навигационной аппаратуре. // Ресурс Internet: http://www.agp.ru/gps/kalman/index.htm

41. Лецкий Э.К., Панкратов В.И., Яковлев В.В. и др. Информационные технологии на железнодорожном транспорте: Учеб. Для вузов ж.-д. трансп.; под ред. Э.К. Лецкого, Э.С. Поддавашкина, В.В. Яковлева. М.: УМК МПС России, 2000. - 680 с.

42. Мартин Дж. Планирование развития автоматизированных систем. М.: Финансы и статистика, 1984. - 196 с.

43. Межетов М.А. Адаптивная региональная модель полного электронного содержания. Дисс. на соиск. уч-степ. к.ф.-м.н., ИВАИИ, 2003. 148 с.

44. Мейер Д. Теория реляционных баз данных: Пер. с англ. М.: Мир, 1987. - 608 с.

45. Навигационно-информационный комплекс автоматизированной системы управления движением поездов «Магистраль».// Ресурс Internet: http ://www. kgtu .runnet.ru/kgtu/science 1 / chm yh2. htm

46. Наука и транспорт. ЭиЖ-Сибирь, 2000, N13(127). Ресурс Internet: http://www.ecolife.krsk.ru/old/Arh/2000/127/10.asp

47. Переберин А.В. О систематизации вейвлет-преобразований. М.: Вычислительные методы и программирование, 2001. Т.2. 26 с.

48. Поваляев А. А. Спутниковые системы управления движением в околоземном пространстве. М.: Изд-во МАИ, 1994. - 40 с.

49. Приемник спутниковых сигналов навигационных систем ГЛОНАСС/GPS МРК-19. // Ресурс Internet: http://www.rtf.kgtu.runnet.ru/struct/lab/ niirt/mrk 19.htm

50. Прохоров Г.В., Леденев М.А., Колбеев В.В "Пакет символьных вычислений Maple V" М.: Компания "Петит", 1997. - 200 с.

51. Пушников А.Ю. Введение в системы управления базами данных. Часть 1. Реляционная модель данных / Изд-е Башкирского ун-та. Уфа, 1999. -108 с.

52. Пушников А.Ю. Введение в системы управления базами данных. Часть 2. Нормальные формы отношений и транзакции / Изд-е Башкирского ун-та. -Уфа, 1999.- 138 с.

53. Рекс Жешке. Толковый словарь языка Си / Пер. с англ. В.К. Потоцкого; Под ред. В.В. Усманова. СПб.: Питер, 1994. - 221 с.

54. Ришберг Г., Гарриот O.K. Введение в физику ионосферы. Л.: Гидрометеоиздат, 1975. - 304 с.

55. Сергиенко А.Б. Цифровая обработка сигналов. СПб.: Питер, 2003. -604с.

56. Смоленцев Н.К. Основы теории вейвлетов. Вейвлеты в MatLab. М.: ДМК, 2005.-304 с.

57. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой радионавигации. М.: изд-во «Эко-Трендз», 2000. - 267 с.

58. Ульман Дж. Основы систем баз данных / Пер. с англ. М.Р. Когаловского и В.В. Когутовского; Под ред. М.Р. Когаловского. М.: Финансы и статистика, 1983. - 334 с.

59. Федеральная целевая программа «Глобальная навигационная система». // Ресурс Интернет: http://www.economy.gov.ru/merit/fed eel prog/ext/ 117/content.htm

60. Харисов В.Н., Петров А.И., Болдин В.А. и др. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. М.: ИПРЖР, 1998. 509 с.

61. Чуй К. Введение в вэйвлеты. М.: Мир, 2001. - 416 с.

62. Шануров Г.А., Мельников С.Р. Геотроника. Наземные и спутниковые радиоэлектронные средства и методы выполнения геодезических работ. -М.: УПП «Репрография» МИИГАиК, 2001, 136 с.

63. Шитов А.Б. Разработка численных методов и программ, связанных с применением вейвлет-анализа для моделирования и обработки экспериментальных данных. Дисс. на соиск. уч-степ. к.ф.-м.н., Иван.ГУ, 2001.- 125 с.

64. Шкирятов В.В. Радионавигационные системы и устройства. М.: Радио и связь, 1984. - 160 с.

65. Юзерович П. GPS большой и серьезный // Компьютерра. - 2004. № 45(569). - С.52-56.

66. Яковлев О.И. Космическая радиофизика- М.: Научная книга, 1996. -432с.

67. Afraimovich Е. L., Kosogorov Е. A., Leonovich L. A. The use of the international GPS network as the global detector (GLOBDET) simultaneously observing sudden ionospheric disturbances. Earth, Planets, and Space, 2000, V.52,N11. P.1077-1082.

68. Afraimovich E.L., V.V. Demyanov, T.N. Kondakova. Degradation of performance of the navigation GPS system in geomagnetically disturbed conditions // GPS Solutions, 2003. V.7. N2. P. 109-119.

69. Afraimovich, E.L., K.S. Palamarchouk, and N.P. Perevalova. GPS radio interferomentry of traveling ionospheric disturbances. // J. Atmos. and Solar-Terr. Phys. 1998, V.60. P.1205-1223.

70. Afraimovich, E.L., Kosogorov E.A., Palamarchouk K.S., Perevalova N.P., Plotnikov A.V. The use of GPS arrays in detecting the ionospheric response during rocket launchings. // Earth Planets Space, 2000, V.52, No.l 1, P. 10611066.

71. Afraimovich, E.L., Perevalova N.P., Plotnikov A.V., Uralov A.M. The shock-acoustic waves generated by the earthquakes. // Annales Geophysicae, 2001, V.19, N.4. P.395-439.

72. Bastos L. and Landau H. Fixing cycle slips in dual-frequency kinematic GPS-applications using Kalman filtering. // Manuscripta Geodaetica, 13, 1988. P.249-256.

73. Beutler, G., I. I. Mueller, and R.E. Neilan, The International GPS service for Geodynamics: development and start of official service on January 1, 1994 // Bulletin Geodesique, 68,1994, P.39-70.

74. Bilitza D. The International Reference Ionosphere. National Science Data

75. Center. NSSDC/WDC-A-S Report. D. 9022. 1990.

76. Blewitt, G., An automatic editing algorithm for GPS data, Geophysical Research Letters, 1990.

77. Calais E., Lesne O., Devershere J., San'kov V., Lukhnev A., Miroshnitchenko A., Buddo V., Levi K., Zalutzky V., Bashkuev Yu. Crustal deformation in the Baikal rift from GPS measurements // Geophys. Res. Lett. 1998. № 25(21). P.4003-4006.

78. Calais E., Minster B.J. GPS detection of ionospheric perturbations following the January 1994, Northridge earthquake. // Geophysical Research Letters 1995, V.22, P.1045-1048.

79. Calais E., Minster B.J. GPS detection of ionospheric perturbations following a Space Shuttle ascent. // Geophysical Research Letters 1996, V.23, P. 18971900.

80. Calais E., Minster B.J., Hofton M.A., Hedlin M.A. Ionospheric signature of surface mine blasts from Global Positioning System measurements. // Geophys. J. Int. 1998, V.132, P. 191-202.

81. Codd E.F. Relation Model of Data for Large Shared Data Banks //Comm. ACM. 1970. - V.13, №.6. - P.377-383.

82. Colombo, O.L, Ephemeris errors of GPS satellites // Bulletin Geodesique, 60, 1986, P.64-84.

83. Daubechies I. Ten Lectures on Wavelets. Philadelphia: SIAM, 1991.

84. Evans A. Summary of the Workshop on GPS Exchange Formats // Proceedings of the Fifth International Geodetic Symposium on Satellite Systems. Las Cruces, 1989. P.917.

85. Geodetic Base Station Software User's Manual. Ashtech USA, 1998. -97 p.

86. GPS Surveyor's Field Guide. A Field Guidebook for Dynamic Surveying. Trimble Navigation, Sunnyvale 1992. 71 p.

87. Grossman A., Morlet J. Decomposition of Hardy into square integrable wavelets of constant shape // SIAM J. Math. Anal. 1984. V 15. P. 723-736.

88. Haar A. Math. Ann.' 69331.1910

89. Hatanaka, Y., A RINEX Compression Format and Tools // Proceedings of ION GPS-96, September 17-20, 1996. P.177-183.

90. Herring, T.A., GLOBK: Global Kalman filter VLBI and GPS analysis program Version 10.1 Internal Memorandum, Massachusetts Institute of Technology, Cambridge, 2003.

91. Hofmann-Wellenhof В., Lichtenegger H., Collins J. Global Positioning System (GPS). Theory and Practice. Springer-Verlag Wien, NY 1992 468 p.

92. Jakowski, N., TEC monitoring by using satellite positioning systems // Modern Ionosphere Science, edited by H. Kohl et al., European Geophys. Soc., 1996, P.371-390.

93. Jeff Hum. Differential GPS explained. An expose of the surprisingly simple principles behind today's most advanced positioning technology. Trimble Navigation, Sunnyvale 1993. 55 p.

94. Klobuchar J. A., Ionospheric time-delay algorithm for single-frequency GPS users, IEEE Transactions on Aerospace and Electronics System, 1986, V. 23, N 3, P.325.

95. Kozienko L.V. and Yu.B. Bashkuev. Using GPS/GLONASS at railways applications in Russia (Current status overview) // Proc. of 2003 Int. Symp. On GPS/GNSS. Tokyo, Japan. 2003. P. 101-106.

96. Leva J.L., M.U. de Haag, and K. Van Dyke. Performance of Standalone GPS // Understanding GPS: Principles and Applications, edited by E.D. Kaplan, Artech House Publishers, Norwood, Massachusetts, 1996. P.237-320.

97. Lu, G., X. Pi, A. D. Richmond, and R.G. Roble, Variations of total electron content during geomagnetic disturbances // Geophys. Res. Lett., 25,1998. P.253-256.

98. Mannucci, A.J., C.M. Ho, U.J. Lindqwister, T.F. Runge, B.D. Wilson and D.N. Yuan. A global mapping technique for GPS-drived ionospheric TEC measurements. Radio Science, 1998. V 33. N 8. P.565-582.

99. Misra P., Burke B.P. and Pratt M.M., GPS Performance in Navigation // Proceedings of the IEEE (Special Issue on GPS), Vol. 187, No. 1, January1999. P.65-85.

100. Murray, M.H., Global Positioning System Measurement of Crustal Deformation in Central California // Ph. D. thesis, Massachusetts Institute of Technology. 1991. - 223 p.

101. NAVSTAR GPS. Interface Control Document. ICD-GPS-200C, 2000. Ресурс Internet: http://vyww.arinc.com/gps/icd200c.pdf

102. Niell, A.E., R.W. King, S.C. McClusky, T.A. Herring, Radome effects on GPS height measurements with choke-ring antennas // Eos Trans. AGU, Spring Meeting Supplement, S71, 1996.

103. Randal L. Schwartz, Learning Perl. O'Reilly & Associates, 1993. 274p.

104. Receiver Communication Software User's Guide.-Ashtech USA, 1998. -94 p.

105. Saito, A., S. Fukao, and S. Miyazaki, High resolution mapping of TEC perturbations w ith G SI G PS n etwork о ver J apan // G eophys. Res. L ett., 2 5, 1998, P.3079-3082.

106. Santerre R. Impact of GPS Satellite Sky Distribution // Manuscripta Geodaetica, Vol. 16, 1991. P.28-53.

107. Schaffrin, В., and Y. Bock, A unified scheme for processing GPS phase observations // Bulletin Geodesique, 62, 1988, P. 142-160.

108. Skone, S., and M. de Jong. The impact of geomagnetic substorms on GPS receiver performance // Earth, Planets and Space. V. 52. P. 1067-1071.2000.

109. Statement by the President regarding the United States' decision to stop degrading Global Positioning System accuracy.// Ресурс Internet: http://www.ngs.noaa.gov/FGCS/info/sansSA/docs/statement.html

110. Swanson E.R. Geometric Dilution of Precision // Navigation: Journal of The Institution of Navigation, Vol. 25, No. 4, 1978-79. P.425-429.

111. TEQC: The toolkit for GPS/GLONASS Data.// Ресурс Internet: http ://www. un avco.org/facility/soft ware/teq c/teq c.html

112. Wall L., Christiansen T. and Randall L. Schwartz. Programming Perl, 2nd Edition. O'Reilly and Associates. September 1996. 670 p.

113. Vetterli M. Wavelets, Approximation and Compression. // IEEE Signal Proc. Magazine, September 2001. 15 p.

114. Wavelet Gallery // Ресурс Internet: http://www.wavelet.org/phpBB2/ gallery.php

115. Werner Gurtner, RINEX: The Receiver Independent Exchange F ormat .// Ресурс Internet: http://igscb.jpl.nasa.gov/igscb/data/format/ rinex2.txt

116. Yamamoto A., Ohta Y., Okuzawa Т., Taguchi S., Tomizawa I. and T. Shibata. Characteristics of TEC variations observed at Chofu for geomagnetic storms // Earth Planets Space, 2000, 52, P. 1073-1076.

117. Yu, S .B. and Tsai C.S. A dense continuous GPS array for monitoring crustal d eformations in T aiwan // P roc. о f 2 003 Int. S утр. О n G PS/GNSS. Tokyo, Japan. 2003. P.479-485.

118. Ресурс Internet: http://sopac.ucsd.edu/

119. Ресурс Internet: http://www.mathworks.com

120. Ресурс Internet: http://www.emsd.iks.ru/gps.html

121. Ресурс Internet: http://www.agp.ru/catalog/dgps/index.htm

122. Ресурс Internet: ftp://igscb.ipl.nasa.gov/igscb/software/rnxcmp/docs/

123. Состояние спутниковой навигационной системы Navstar GPS

124. Информация по состоянию на 11 Февраля 2005 года (по материалам U.S. Naval Observatory, Washington, DC).

125. В настоящее время система GPS насчитывает тридцать рабочих спутников, равномерно распределённых по орбитам. (Полнофункциональная система подразумевает минимум 24 спутника).

126. Краткое описание типов GPS спутников системы NAVSTAR

127. Основные типы данных, содержащиеся в RINEX-файлах наблюдений1 2 .10 OBSERVATION DATA G (GPS) RINEX VERSION / TYPE2 teqc 2002Маг14 20050224 15:35: 4UTCPGM / RUN BY / DATE

128. MSWin2000|IAx86-PXI | WC1386 11.0|MSWin95/98/NT/2000|4 86/DX+ COMMENT

129. BIT 2 OF LLI FLAGS DATA COLLECTED UNDER A/S CONDITION COMMENT5 ULAZ MARKER NAME 6 -Unknown- OBSERVER / AGENCY

130. SNR is mapped to RINEX snr flag value 1-9. COMMENT

131. Lis 1 -> 1; 90 -> 5; 210 -> 9 COMMENT

132. С1 значения псевдодальностей, измеренные с помощью С/А-кода на частоте Li;

133. Р2, Р1 значения псевдодальностей, измеренные с помощью Р-кода на частотах Lj и L2;

134. Dl, D2 значение доплеровских частот на Lj и L2 соответственно (знак плюс или минус перед числом означает, что спутник приближается или, наоборот, отдаляется от наблюдателя).

135. Значение фазы измеряется в полных циклах, псевдодальность в метрах, а доплеровская частота - в Гц. В строках 13-15 размещены некоторые комментарии.

136. Строка 33 начало новой 30 с сессии измерений, структура записи в строках 35-47 аналогична предыдущей.

137. Основные типы данных, содержащиеся в навигационных RINEX-файлах1 2 .10 N: GPS NAV DATA RINEX VERSION / TYPE 2 teqc 2002Маг14 20050224 15:35: 4UTCPGM / RUN BY / DATE

138. Сценарий первичной обработки данных на языке Perl1 2