автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Метод формирования фазовых измерений в GPS/ГЛОНАСС приёмнике

Введение.

Глава 1. Анализ типовой структуры СРБ/ГЛОНАСС приёмника.

1.1. Типовое устройство приёмника.

1.2. Связь частот и интервалов времени в приёмнике.

1.3. Выводы по главе 1.

Глава 2. Часы приёмника.

2.1. Классификация шкал времени приёмника.

2.2. Формирование показаний часов приёмника на шкале прерываний.

2.2.1. Счёт прерываний.

2.2.2. Коррекция шкалы прерываний относительно шкалы системы.

2.3. Формирование показаний часов приёмника на шкале миллисекунд, корректируемой относительно

2.3.1. Счёт миллисекунд.

2.3.2. Коррекция шкалы миллисекунд относительно шкалы системы.

2.4. Коррекция шкалы миллисекунд относительно иТС.

2.5. Определение показаний часов приёмника на миллисекундной шкале, корректируемой относительно иТС, в моменты оценённого положения миллисекунд иТС.

2.6. Определение понятий псевдодальности и псевдодоплеровской фазы на моменты оценённого в приёмнике положения миллисекунд ЦТС.

2.7. Синхронизация шкал времени разнесённых приёмников.

2.8. Выводы по главе 2.

Глава 3. Формирование измерений приёмника.

3.1. Формирование псевдодальности.

3.2. Формирование псевдодоплеровской фазы.

3.2.1.Общие соотношения для формирования псевдодоплеровской фазы. 70 3.2.2. Способы обеспечения неизменности начальной фазы приёмника.

3.2.3. Обобщённая блок-схема алгоритма формирования измерения псевдодоплеровской фазы.

3.3.Формирование псевдодоплеровской частоты.

3.4. Выводы по главе 3.

Глава 4. Привязка измерений к миллисекундам разных часов.

4.1. Идея привязки.

4.2. Привязка к миллисекунде приёмника.

4.2.1. Привязка псевдодальности.

4.2.2. Привязка псевдодоплеровской фазы.

4.3. Привязка к миллисекунде вычисляемой шкалы UTC.

4.3.1. Привязкапсевдодальности.

4.3.2. Привязка псевдодоплеровской фазы.

4.4. Выводы по главе 4.

Глава 5. Разработка требований к аппаратной части приёмника.

5.1. Цель требований.

5.2. Требования к коррелятору.

5.3. Требования к радиочастотному тракту.

5.4. Выводы по главе 5 (Требования к аппаратной части приёмника).

Глава 6. Тестирование фазовых измерений.

6.1. Методика тестирования.

6.2. Примеры тестирования.

6.3. Выводы по главе 6.

В последние годы всё большее применение находит режим относительной навигации с помощью спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС. Благодаря использованию в этом режиме измерений псевдодоплеровских фаз, можно оценить относительные координаты объектов с сантиметровой точностью (рис. 1).

Спутники GPS и ГЛОНАСС J

-fr. iQda # * ' ъ

AR (Ах, Ay, Az), а « 1см

•î

Опорный приёмник (Base)

Привязываемый приёмник (Rover)

Рис.1. Режим относительной навигации с помощью GPS и ГЛОНАСС

Актуальность темы формирования измерений псевдодоплеровских фаз несущих GPS и ГЛОНАСС можно обосновать следующими факторами: 1. Используя фазовые измерения, можно реализовать режим относительной навигации с точностью « 1 см (рис.1) при удалении объектов друг от друга до 100 км. Если недавно этот режим использовался только для геодезических работ [21-23], то теперь его применяют и для подвижных средств [24-29], а также для определения ориентации объектов в пространстве[30-32].

2. Фактически производить высокоточные относительные навигационные определения можно только по фазовым измерениям навигационных приёмников всего лишь нескольких западных фирм: Ashtech, Trimble Navigation, 3S Navigation. Способ формирования измерений эти фирмы не раскрывают. Во время разработки систем GPS и ГЛОНАСС этот режим навигации не предполагался к использованию. Поэтому большинству разработчиков GPS/ГЛОНАСС приёмников неизвестен способ формирования фазовых измерений, пригодных для высокоточной относительной навигации.

Изложение способа формирования измерения псевдодоплеровской фазы требует определения смыслового содержания понятия псевдодоплеровской фазы. Начнем с обзора литературы по этому вопросу.

Обзор литературы [1-4, 7, 10, 12-14, 17-33] позволил выявить два подхода к определению понятия псевдодоплеровской фазы.

В первом подходе авторы пытаются определить физический смысл измерения псевдодоплеровской фазы [10, 21]. Согласно этому подходу, измерение псевдоплеровской фазы по у'-му спутнику (Ф7 (У)) определяется как разность между фазой несущего колебания сигнала у'-го спутника (VFJ(/)) и фазой сформированного в приемнике опорного сигнала на несущей частоте у-го спутника ()

Фj(t) = 4j(t)-40II(t)+Mj. (В.1)

Здесь

Ч>у (У) - фаза несущего колебания сигнала у-го спутника, оп (0 ~~ Фаза опорного сигнала приёмника, единого для всех спутников,

М} = const - неопределенное целое, обусловленное неоднозначностью фазовых измерений.

Во втором подходе [1-4, 12-14, 17-20] для определения измерения псевдодоплеровской фазы используются математические модели, описывающие связь псевдодоплеровской фазы с дальностью до спутника, смещением шкал времени приёмника и спутника и т. д. При этом физический смысл самого понятия псевдодоплеровской фазы не определяется. Главной особенностью математических моделей измерений псевдодоплеровской фазы является получение этих моделей на основе математических моделей измерений псевдодальностей. По сути всё сводится к переводу математической модели измерений псевдодальности в периоды (циклы) колебания несущей частоты спутника с добавлением любого неопределенного целого числа этих циклов, поскольку измерения псевдодоплеровской фазы неоднозначные. Наглядным примером такого подхода являются представленные в [1] математические модели измерений псевдодальности и псевдодоплеровской фазы соответственно: -1./>%) + р • (ф) + Т>{г)) + М], где

Р](Ь) = ~ *('/))2 + (уЧГ) ~ У&))2 + ~ 4гд)2 ~ Расстояние между /-м спутником и приёмником, выраженное в геоцентрической системе координат,

С - скорость света, г(^) - смещение показаний часов приёмника относительно показаний часов навигационной системы на момент измерения ^ (рис.2)

- смещение показаний часов у-го спутника относительно показаний часов навигационной системы на момент излучения (рис.2)

- координаты приёмника, х! - координаты у-го спутника на момент излучения V,

- номинал частоты несущего колебания у -го спутника, X1 - номинал длины волны несущего колебания j -го спутника, Заметим, что в этих моделях не учтены задержки в тропосфере и ионосфере и ошибки измерений. )/с - задержка распространения

ТА*')

Часы системы т

Часы У-го спутника

Часы приёмника ^-момент излучения момент / ч приёма

Единое время

Рис.2. Связь моментов излучения и приёма

Рассмотрим ещё один пример математической модели измерений псевдодоплеровской фазы из [2,17]: t.).AJ = pj(tt) + С• (г(^)- rJ'(/'))- ionoj • XJ + tropoj • Xj + MJ-ÁJ\ где кто и tropo - задержки в ионосфере и тропосфере. Здесь измерение псевдодоплеровской фазы выражено в метрах. Если из этой модели убрать длину волны А7 и изменить знак ионосферной задержки на противоположный, то получится распространенная модель псевдодальности. Такой подход к математическому выражению измерений псевдодоплеровской фазы основан на ее общих свойствах с измерениями псевдодальности. Поэтому, как правило, подобные модели используются в тех задачах, где приоритетную роль играют псевдодальности, а не псевдодоплеровские фазы, например, формирование дифференциальных поправок или просто сглаживание измерений псевдодальности по приращениям измерений псевдодоплеровских фаз.

В задачах, где приоритетная роль отводится псевдодоплеровским фазам, а не псевдодальностям, например, при геодезических работах, высокоточном определении местоположения движущегося объекта используются математические модели, в которых авторы пытаются учесть особенности обработки сигнала в аппаратной части приёмника. В качестве примера рассмотрим математическую модель измерений псевдодоплеровской фазы, приведенную в [3,7,12,13].

- начальная фаза приёмника, скорее всего неизвестная постоянная величина, обусловленная гетеродинированием принимаемого сигнала в радиочастотном тракте приёмника, fJ-r(t1)+Mi + % + mpi (t¿) + »i, где

- неизвестная начальная фаза несущего колебания спутника,

- фазовые искажения сигнала спутника в приёмнике. Заметим, что в этой модели измерение псевдодоплеровской фазы и дальность pj (tj) противоположны по знаку, что учитывается при обработке. С помощью этой модели авторы описали обработку измерений псевдодоплеровских фаз для высокоточного определения местоположения объекта в режиме относительной навигации. Эта модель использовалась в [14] для описания алгоритма обработки фазовых измерений.

Особым учётом особенностей формирования измерений псевдодоплеровской фазы отличается модель, введенная в [4], где описывается метод геодезической привязки двух пунктов по сигналам спутников ГЛОНАСС с помощью приёмников 4000SGL фирмы Trimble Navigation. ti-—-^'(t^-C-ionoj) -~}н- (pj{h)~ с ■ f W

Я X Л Q

- J Afjj(t')dt' + ~ • te - - % - Mj), о я где

AfJ(t)~ отличие частоты излучения /-го спутника от её номинального значения,

Д/я(0 - нестабильность частоты местного генератора приёмника, пересчитанная на частоту диапазона LI NAVSTAR,

- начальная фаза, соответствующая всем гетеродинным преобразованиям сигналов в приёмнике,

Л/ ,/Iя - номинальные длины волн j-го спутника ГЛОНАСС и спутников NAVSTAR соответственно.

Модели измерений псевдодоплеровских фаз из других публикаций практически ничем не отличаются от только что рассмотренных моделей.

Поэтому дальнейшему расширению кругозора на эту тему они не способствуют. Приводить их здесь не имеет смысла.

Следует подчеркнуть, что очевидным достоинством всех рассмотренных моделей измерений является успешное применение их на практике для обработки фазовых измерений.

Недостаток рассмотренных моделей заключается в том, что, опираясь на любую из них, невозможно найти алгоритм формирования фазовых измерений в приёмнике.

Анализ представленных моделей показал, что их отличия столь незначительны, что эти модели могут быть заменены единой моделью [18-20], пригодной для решения любых задач, связанных с обработкой фазовых измерений:

Проведём критический анализ существующих в литературе подходов к определению понятия псевдодоплеровской фазы.

Начнем с критического разбора первого подхода. Сразу же виден основной недостаток первого подхода применительно к системе ГЛОНАСС. В этой системе спутники излучают на разных частотах и поэтому для каждого у-го спутника в системе ГЛОНАСС приемник должен формировать свой опорный сигнал на несущей частоте, фаза (^оп (0) которого будет отличаться от фаз опорных сигналов для других спутников. Возникает вопрос: какова должна быть связь между фазами (Чоя(О) опорных сигналов приемника, соответствующих разным спутникам системы ГЛОНАСС. На основе сделанного обзора литературы можно заключить, что на этот вопрос ответа нет. %0 + /]-(т{11)+ + М' +

В.2) где ошибка многолучёвости, - шум синхронизации по фазе несущей.

Второй, менее очевидный недостаток первого подхода, заключается в отсутствии какой-либо связи между определяемой с его помощью псевдодоплеровской фазы Ф; (/) и шкалой времени Г(/) реального навигационного приемника. Измерения псевдодоплеровской фазы в приемнике привязываются к моментам времени, в которые показания Г(/) его часов принимают определенные значения, например, кратные 1 сек. Поэтому необходимо найти связь между показаниями часов приёмника и измерениями его псевдодоплеровских фаз. В первом же подходе вообще отсутствуют какие-либо указания на собственную шкалу времени приемника и как следствие становится невозможным описать связь между показаниями часов (Т(/)) и псевдодоплеровской фазой (Фу(/)). Однако в первом подходе предпринимается попытка определить физический смысл понятия псевдодоплеровской фазы, что в определенной степени проясняет способ ее формирования.

Как было сказано ранее, во втором подходе для определения понятия псевдодоплеровской фазы используются математические модели. Их обобщение мы записали с помощью (В.2). Математические модели включают такие физически ясные понятия, как: 1) начальная фаза приемника (1Рг0), 2) начальная фаза несущего колебания спутника ( Ч^ ), 3) смещение шкал времени приёмника (г(/)) и спутника (гу (/)), 4) длина пути распространения сигнала

К7(У)) между приёмником и спутником, 5) многолучёвость (дау>4(/)) и т.д.

Таким образом, при втором подходе используются понятия, характеризующие работу реального приёмника, и, в частности, понятия, связанные со шкалой времени приёмника. Но математические модели, в которые входят эти понятия, не определяют смыслового содержания самой псевдодоплеровской фазы, т.к. они лишь описывают ее количественно. Поэтому, используя модель (В.2), невозможно определить способ формирования измерения псевдодоплеровской фазы.

Следует отметить, что существуют также явные несоответствия между понятиями псевдодоплеровской фазы, определяемыми с помощью первого и второго подходов. Например, в первом подходе ничего не говорится о начальных фазах приёмника (%0) и спутника (Ч7^). Значит, неявно предполагается, что эти фазы равны нулю. Но такое предположение может привести к существенным ошибкам при разработке методов вторичной обработки фазовых измерений. Как отмечалось ранее, математические модели псевдодоплеровской фазы как бы указывают на её тесную связь с псевдодальностью. Благодаря этой связи, математические модели псевдодоплеровской фазы второго подхода могут быть получены на основе математических моделей псевдодальности. Однако такая связь совсем не вытекает из определения псевдодоплеровской фазы в соответствии с первым подходом. Более того, смещение шкалы времени приемника (), входящее в модель псевдодоплеровской фазы (В.2), может при коррекции показаний часов приёмника скачкообразно изменяться. Это приводит к одновременным скачкообразным изменениям псевдодоплеровской фазы, определяемой в соответствии со вторым подходом. Но псевдодоплеровская фаза, определенная в соответствии с первым подходом, не может скачкообразно изменяться. Действительно, фаза принимаемого сигнала несущей >го спутника (Ч^/)) из (В.1) меняется плавно. Опорная фаза (Ч*'оп(/)) из (В.1) тоже меняется плавно и, следовательно, разность и ^оп^) также должна меняться плавно, без скачков.

Несколько особняком стоит книга [7], в которой делается попытка определить понятие псевдодоплеровской фазы с помощью следующего рекуррентного алгоритма и |+ , где Ф'(*0) = 0,0. (В.З)

Согласно этому описанию, измерение псевдодоплеровской фазы получается интегрированием частоты Доплера [15] между моментами соседних измерений и /г . Затем говорится, что дробная часть x¥Jrl формируется приёмником - извлекается из петли слежения за несущей («а fractional phase measurement K¥Jn is made by the receiver»). Таким образом, в [7] предлагается формировать измерение псевдодоплеровской фазы на основе интегрирования псевдодоплеровской частоты. Очевидны недостатки определения псевдодоплеровской фазы с помощью (В.З). Во-первых, формирование псевдодоплеровской фазы происходит без определения её физического смысла. Во вторых, непонятно, что подразумевается под дольной фазой x¥Jri, извлекаемой из петли слежения за фазой несущей. В реальном приёмнике слежение осуществляется не на частоте несущей, а на промежуточной частоте, и поэтому понятие петли слежения за фазой несущей в реальном приёмнике отсутствует. Помимо этого определение (В.З) не согласуется с описанными ранее математическими моделями псевдодоплеровской фазы. Например, оно не содержит понятий начальных фаз приёмника (^Рг0) и спутника и не описывает скачкообразных изменений псевдодоплеровской фазы в моменты коррекции показаний часов приёмника.

Теперь можно заключить, что все существующие в литературе определения понятия псевдодоплеровской фазы обладают недостатками и плохо согласуются друг с другом.

Введём новое понятие псевдодоплеровской фазы, которое будет обобщать все известные из литературы определения и не будет обладать их недостатками. Для этого нам необходимо обратиться к определению понятия псевдозадержки, которая является фундаментальным понятием спутниковой навигации. Обычное и распространенное определение псевдозадержки - это определение её как суммы задержки сигнала в пространстве (Rj(tf)/c, рис.2) и смещения шкалы времени приёмника относительно шкалы системы [10,33]. Более точное определение добавляет к этой сумме смещение шкалы времени спутника относительно шкалы системы +Л'(/,)/с-г'(г'). (В.4)

Такое определение псевдозадержки является фактически её математической моделью. Оно ничего не говорит о том, каким же образом в приёмнике формируется измерение псевдозадержки. Нельзя же серьезно полагать, что в приёмнике формируется измерение псевдозадержки путём суммирования задержки сигнала в пространстве со смещениями показаний часов приёмника и спутника относительно часов системы. Однако существует [7, 21] и другое определение понятия псевдозадержки, указывающее на способ её формирования. В соответствии с ним псевдозадержка по ,/-му спутнику определяется как разность показаний часов приемника ) на момент измерения (г- и показаний часову-го спутника Г7^'), на момент излучения /', который предшествует моменту измерения ti на время задержки сигнала в пространстве (рис.2)

-тр£ -4, (В.5) где г/ - аппаратурная задержка, тр^ и - ошибки многолучёвости и шумы синхронизации кодового сигнала в НП.

Показания часов спутника и фаза излучаемого им дальномерного кода абсолютно синхронны. Фаза сигнала дальномерного кода спутника на входе антенны приёмника в момент t¡ равна фазе этого же сигнала на спутнике в момент излучения ? (рис.2). Следовательно, измеряемую приёмником фазу дальномерного кода можно считать оценкой показаний часов спутника Г7(/') на момент излучения V. Показания часов ) в приёмнике известны. Поэтому способ измерения псевдозадержки очевиден - (В.5). Из определения (В.5), можно вывести модель псевдозадержки (В.4). Этот вывод будет осуществлён в главе 3. Дополнительно отметим, что показания часов приёмника Г(^ ) могут периодически скачкообразно меняться. Это приводит к соответствующим скачкообразным изменениям псевдозадержек и псевдодальностей.

Термин «показания часов», использованный в [7, 21] для определения понятия псевдозадержки (В.5), не применяется в теории сигналов. Эквивалентным ему по смысловому содержанию в теории сигналов является термин фазы сигнала управления часами (рис.3). Действительно, если мыслить себе сигнал управления показаниями часов, номинальная частота которого равна 1 Гц, то фаза такого сигнала будет численно равна показаниям часов в секундах. Различия будут только в размерности, потому что показания часов принято измерять в секундах, а фазу сигнала в циклах. Однако это обстоятельство не должно нас смущать потому, что от подмены размерности фаза не перестает быть фазой. Поэтому далее показания часов, задающих различные шкалы времени, будем трактовать как фазы сигналов управления этими часами. Номинальные частоты этих управляющих сигналов равны 1 Гц.

Сигнал управления 9 О

Рис.3. Управление показаниями часов приёмника

Если показания часов приемника и спутника трактовать как фазы, то псевдозадержка есть разность фаз этих сигналов и, следовательно, измеряется в циклах. В таком случае, псевдодальность следует определять как произведение псевдозадержки (выраженной в циклах) и длины волны колебания частоты 1Гц.

Опираясь на понятие фазы сигнала управления часами, введём новое определение понятия псевдодоплеровской фазы. С точностью до произвольного целого числа М], аппаратурных искажений Ч'/, ошибок многолучёвости тр^ и шумов синхронизации пф определим псевдодоплеровскую фазу Фу (У) по у-му спутнику как разность между опорной фазой приемника соответствующей этому спутнику, и фазой несущей спутникового сигнала присутствующего на входе приёмника

Щд = Чп{ь)~ ЧЛ*г)+м] - Ч - М - 4 • (В.6)

Таким образом, наше определение псевдодоплеровской фазы имеет знак, противоположный её определению (В.1), согласно [10, 21]. Неопределенное целое М] введено в наше определение псевдодоплеровской фазы из-за того, что фаза несущего колебания может быть измерена в приёмнике только с точностью до неизвестного произвольного целого числа циклов.

Определим понятие опорной фазы приёмника соответствующей у-му спутнику, как фазу сигнала, получаемого из сигнала управления часами приёмника путем преобразования его на несущую частоту у-го спутника. Коэффициент преобразования частоты - к} является безразмерной величиной и численно равен номиналу несущей частоты у-го спутника к] = / } /\1ц.

Необходимо отметить, что фаза сигнала управления часами приёмника может корректироваться (см. рис.3).

Как известно, в процессе умножения частоты происходит умножение фазы исходного сигнала на коэффициент умножения. Учитывая, что корректируемую фазу сигнала управления часами приемника мы обозначаем как , получаем: л (') = %• 0+*'•?-(/), (В.7) где хРг0 - неопределенная начальная фаза приемника, одинаковая для всех спутников (рис.4).

Смысл коррекции показаний часов приёмника (рис.4) объясняется в главе 2.

Отличительным свойством определяемых нами опорных фаз приемника (В.7), соответствующих разным спутникам, является то, что все они формируются из единой фазы сигнала управления часами приемника Г(/) (рис.4). Начальная фаза ¥г0, хотя и может быть произвольной величиной, одинакова для всех спутников.

Если учесть, что в определение псевдодоплеровской фазы (В.7) входит неопределенное целое число М3, то становится допустимым различие начальных фаз х¥г0 для разных спутников на произвольное целое число М рис.5).

Целочисленная» свобода (рис.5) определения понятия опорной фазы ^¿п (0, как будет показано в главе 3, играет огромную роль в алгоритмах формирования измерений псевдодоплеровских фаз в реальном приёмнике. Это означает, что допустимо такое смещение каждой из опорных фаз приемника, показанных на рис.4, параллельно оси абсцисс и ординат, при котором смещенные фазы будут отличаться от показанных на рис.4 на произвольное постоянное целое число. С учетом того, что несущие частоты спутников ГЛОНАСС отличаются друг от друга на величину кратную 500 Гц., допустимо такое смещение каждого из графиков на рис.4, при котором точка их взаимного пересечения смещается вдоль оси абсцисс в одну из точек, где корректируемая фаза сигнала управления часами приемника T(i) равна четному числу миллициклов. Примеры таких смещений показаны на рис.6. Символами tY и t2 на рис.6 показаны моменты времени, где фаза сигнала управления часами приемника T(t) равна четному числу миллициклов (М1 и М2 ).

На борту спутника, также как и в приёмнике, сигнал управления часами спутника и сигнал его несущей частоты формируются из сигнала единого опорного генератора спутника. Следовательно, фазу несущего колебания спутника на момент излучения 1' можно представить аналогично опорной фазе (В.7) +к] (В.8) где - неопределенная начальная фаза излучения7-го спутника. Фаза Ч^ес(/г) из (В.6) совпадает с фазой несущей спутника на момент /', т.е.

В.9)

Подставляя (В.7) и (В.8) в (В.6), с учётом (В.9) получаем следующее выражение для псевдодоплеровской фазы:

Ф7(гг) = + У • (г(гг) - - ^о + - - тр4 - п{,. (В. 10) Проанализируем (В .10). Разность показаний часов приёмника 7'(/г) и спутника согласно определению (В.5), является псевдозадержкой. Следовательно, введённое нами понятие псевдодоплеровской фазы (В.6) есть выраженная в циклах несущего колебания спутника псевдозадержка, включающая неопределенное целое число циклов (М]), а так же начальные фазы приёмника ( ) и спутника ( Ч^ ).

Используя связь моментов излучения и приёма (рис.2), получим псевдодоплеровскую фазу (В. 10) как функцию задержки распространения и смещений часов приёмника (г(/,)) и спутника (г;(/')) относительно часов системы. Входящие в (В. 10) показания часов приёмника и спутника Г7(/') следующим образом могут быть выражены через смещения показаний этих часов относительно показаний часов системы (Г^(^), (/ ')):

В.11) + (В.12)

Здесь ) и г;(/') - смещения показаний часов приёмника и спутника, равные для произвольного момента времени / соответственно: г(0=г(0-^(0, (в. 13) гЧО= г'(*)-г5(*). (в. 14)

Подставляя (В.11, В.12) в (В. 10), получаем

И'/) = Ч^о + к'' (К'/) ~ +

В. 15) • (т^,) - тБ(г)) - + мз - % - тру, - 4.

Величины 7'(/г) и Г7 (/'), входящие в (В. 15), отсчитываются по одной высокоточной шкале времени системы. Поэтому их разность с высокой точностью равна задержке распространения сигнала в пространстве (рис.2)

В.16)

Подставляя (В.16) в (В. 15), получаем

Фу(г,) = %0 + У-(г(/г)+ - т](1')) ~ Ч>оУ + М] +

В.17)

Сравнивая (В. 17) и (В.2), можно заключить, что по сути они совпадают. Различие заключается только в том, что вместо безразмерных коэффициентов к7 в формуле (В.2) используются численно им равные несущие частоты . Это различие вполне объяснимо. В формуле (В.2) величины Г(7г-) и Гу(/') имеют размерность времени и для того, чтобы время превратить в фазу, авторы моделей, заимствованных из литературы, вынуждены использовать вместо безразмерных коэффициентов к], которые по определению постоянны, количественно им равные номинальные значения несущих частот . В результате, фаза неявно определяется как произведение частоты и времени. Такое определение справедливо только для абсолютно постоянных частот. Частоты реальных сигналов не постоянны, особенно, если речь идет о частотах сигналов в приемнике. Для сигнала с нестабильной частотой фаза должна определяться как интеграл от этой частоты. Однако обоснование использования произведения вместо интеграла в литературе отсутствует. Мы же с самого начала трактуем величины Г(/г-) и Т' {(') как фазы и, поэтому, для нас такая необходимость отпадает. Однако из-за того, что подавляющее большинство вероятных читателей диссертации привыкли к тому, что показания часов выражаются в единицах времени, т.е. в секундах, миллисекундах и т.д., а не в единицах фазы, т.е. в циклах, то далее по тексту величины Г(/г) и Т] будем трактовать как показания часов и, соответственно, выражать в секундах, миллисекундах и т.д. Поэтому, например, для перехода от показаний часов спутника Гу(/') к фазе несущего колебания спутника 4х7(У) (В.8) мы будем использовать произведение• Г7^'), т.е.

Теперь можно заключить, что предложенное нами понятие псевдодоплеровской фазы (В.6) не содержит противоречий и включает все свойства псевдодоплеровской фазы, известные из литературы, и обладает новыми свойствами позволяющими, как будет показано в главе 3, формировать фазовые измерения, пригодные для высокоточной относительной навигации.

Необходимо отметить, что для высокоточной относительной навигации, помимо формирования фазовых измерений, необходимо уметь их обрабатывать. Это означает:

• знать как исключить систематические ошибки измерений,

• уметь правильно организовать и провести сеанс набора измерительной информации с разнесённых приёмников (Base и Rover, рис.1),

• синхронизировать моменты измерений, чтобы их было удобно (комфортно) обрабатывать.

В открытых публикациях эти замечания в полной мере не рассмотрены. Хотя, как показывает практика, для пользователей и разработчиков GPS/TJIOHACC аппаратуры эти вопросы являются весьма важными.

В публикациях, например в [2,3,12,13], отсутствует теоретическая проработка методики тестирования фазовых измерений. Приводятся лишь результаты тестирования, но как они получены, особенно по ГЛОНАСС, не объясняется.

Кроме того, необходим ответ на вопрос, какими качествами должна обладать аппаратная часть приёмника, чтобы формируемые им измерения были пригодны для высокоточной относительной навигации. Цель работы заключается в следующем:

1. Определить понятие псевдодоплеровской фазы, отвечающее существующим её математическим моделям,

2. Разработать метод формирования измерений псевдодоплеровских фаз, пригодных для высокоточной относительной навигации.

Для достижения этой цели в работе решаются следующие задачи:

1. Проводится анализ типовой структуры приёмника с целью разработки метода формирования измерений псевдодоплеровских фаз.

2. Разрабатываются способы формирования фазовых измерений, учитывающие особенности аппаратного построения приёмника.

3. Исследуются способы привязки измерений к различным шкалам времени с целью синхронизации этих измерений в разнесённых приёмниках.

4. Формулируются требования к аппаратной части приёмника, позволяющие формировать измерения псевдодоплеровских фаз, пригодные для вторичной обработки.

5. Разрабатываются рекомендации на построение программного обеспечения приёмника.

6. Разрабатываются методики тестирования алгоритмов формирования измерений псевдодоплеровских фаз.

Объект исследования предлагаемой диссертационной работы -ОРБ/ГЛОНАСС приёмник, особенности его проектирования.

Предмет исследования предлагаемой диссертационной работы - процесс формирования измерений псевдодоплеровских фаз в проектируемом приёмнике.

Методы исследования, служившие инструментом для добывания фактического материала диссертации, базировались на аппарате математического анализа, цифровой обработки сигналов и математической статистики.

Научная новизна диссертационного исследования заключается в том, что впервые дано непротиворечивое и полное понятие псевдодоплеровской фазы. Проанализировано формирование и тестирование измерений псевдодоплеровских фаз. Сформированы требования к аппаратной части приемника, фазовые измерения которого предназначены для высокоточной относительной навигации.

Теоретическая значимость диссертации заключена в том, что её результаты позволяют:

1. Развивать алгоритмы совместной обработки измерений приёмников.

2. Анализировать точностные характеристики формируемых измерений.

Практическая ценность диссертации состоит в том, что её результаты могут быть применены при разработке и эксплуатации навигационных приёмников различного назначения. Основные результаты диссертационной работы внедрены при проектировании в НИИКП ОРБ/ГЛОНАСС приёмника, фазовые измерения которого неоднократно успешно использовались для высокоточных относительных навигационных определений.

Положения, выносимые на защиту:

1. Определение понятия псевдодоплеровской фазы, которое в отличие от определения, известного из литературы,:

• не содержит противоречий с известными математическими моделями псевдодоплеровской фазы,

• устанавливает связи с показаниями часов приёмника и, через показания часов, с псевдодальностью,

• позволяет определить способ формирования псевдодоплеровской фазы с учётом особенностей построения коррелятора и радиочастотного тракта приёмника,

• позволяет производить привязку измерений к отсчётам различных шкал времени,

• позволяет определять точность выполняемой привязки.

2. Метод формирования фазовых измерений, учитывающий особенности аппаратного построения приёмника.

3. Способы привязки измерений к различным шкалам времени.

4. Требования к коррелятору, позволяющие упростить его структуру, понизить его стоимость, не ухудшая при этом качества приёмника.

25

5. Требования к р/ч тракту приёмника, позволяющие формировать измерения псевдодоплеровских фаз, пригодные для относительной навигации.

6. Методики тестирования алгоритмов формирования фазовых измерений, позволяющие оценить нелинейность фазочастотной характеристики радиочастотного тракта приёмника, помехи и шумы измерений и легко реализующиеся на парактике.

Структура диссертации выражает стремление автора наиболее доходчиво изложить особенности проектирования приёмника, фазовые измерения которого предназначены для высокоточной относительной навигации. Поэтому сначала обращается внимание на принципиальное устройство приёмника и рассматриваются шкалы времени, к которым привязываются измерения. Затем описывается формирование измерений, разрабатываются требования к аппаратной части приёмника для формирования измерений нужного качества, разрабатывается методика тестирования измерений. Потом, в качестве примера, приводится опыт тестирования фазовых измерений приёмника спроектированного в НИИКП, с помощью которых неоднократно проводились высокоточные относительные навигационные определения. В заключительной части подводятся итоги и оцениваются результаты проведённых исследований по отношению к общей цели и конкретным задачам диссертационной работы.

6.3. Выводы по главе 6

1. Разработан метод тестирования результатов формирования измерений псевдодоплеровских фаз. Эффективность метода одинакова для GPS и ГЛОНАСС.

2. При работе приёмников на одну антенну эта методика позволяет оценить шумы фазовой синхронизации и нелинейность ФЧХ р/ч трактов приёмников.

3. При работе приёмников от разных антенн можно оценить помехи действующие в радиоканале, что помогает оценить качество используемых антенн.

129

4. Для ГЛОНАСС методика тестирования позволяет оценить не только правильность алгоритмов формирования измерений псевдодоплеровских фаз но и степень нелинейности фазочастотных искажений в тестируемых навигационных приёмниках.

5. Разработанная методика применима для тестирования алгоритмов фазовой синхронизации, предназначенных для работы в условиях многолучёвости и помех.

6. По опыту тестирования можно заключить, что разработанная методика проста и легко применима на практике.

130

Заключение

Главный смысл проделанной работы заключался в том, чтобы предоставить разработчикам навигационной аппаратуры сведения о том, как спроектировать приёмник, фазовые измерения которого предназначены для высокоточной относительной навигации. Эти сведения были последовательно изложены в предыдущих главах. Подводя итоги проделанной работы, можно заключить, что получены теоретические основы, позволяющие создавать аппаратуру, предназначенную для высокоточной относительной навигации. В этих рамках:

1. Для внутренней шкалы времени приёмника введено понятие псевдодоплеровской фазы (В.6), позволяющее формировать измерения пригодные для высокоточной относительной навигации. Согласно этому понятию, псевдодоплеровская фаза является разностью между опорной фазой приёмника (В. 7) и фазой несущего колебания спутника и включает в себя неизвестное целое число циклов несущего колебания, т.е. является неоднозначной по определению (В.6). Опорная фаза (В.7) состоит из неизвестной начальной фазы приёмника, одинаковой для всех спутников, и показаний часов приёмника, переведённых в циклы несущего колебания спутника. Постоянство и одинаковость начальной фазы приёмника для всех спутников лежит в основе разработанного метода формирования измерений псевдодоплеровских фаз.

2. По аналогии с введённым понятием псевдодоплеровской фазы для внутренней шкалы времени приёмника введены понятия псевдодальности и псевдодоплеровской фазы на шкале времени иТС. Эти понятия позволяют формировать такие измерения на вычисляемой в приёмнике шкале ЦТС и осуществлять относительную навигацию, привязываясь к моментам времени этой шкалы.

3. Предложены способы синхронизации часов приёмников на разных шкалах времени, необходимые для исключения систематических ошибок, обусловленных спутниками и радиотрактом. Суть синхронизации заключается в периодической дискретной коррекции показаний часов приёмника на целое число прерываний или миллисекунд внутренней шкалы времени приёмника. В результате коррекции часы приёмников синхронизируются с ошибкой « 1мсек.

4. На основе введённого понятия псевдодоплеровской фазы на внутренней шкале времени приёмника разработаны методы формирования измерений псевдодоплеровской фазы с одинаковой начальной фазой приёмника, не зависящей от момента начала формирования псевдодоплеровской фазы по разным спутникам. Математическая модель измерений псевдодоплеровских фаз, формируемых на основе разработанного алгоритма, совпадает с известной из литературы математической моделью таких измерений.

5. Произведённый анализ типовой структуры приёмника - его коррелятора и радиочастотного тракта - позволил выделить те его особенности, которые влияют на пригодность измерений для высокоточной навигации. Для формирования измерений псевдодоплеровских фаз по ГЛОНАСС, пригодных для высокоточной относительной навигации, необходимо чтобы преобразование сигналов всех спутников ГЛОНАСС происходило в едином общем р/ч тракте. Нелинейность ФЧХ тракта должна быть на уровне шумов синхронизации, т.е. « 0,02.0,003 цикла.

6. Разработанные требования к аппаратной части приёмника позволяют упростить алгоритм формирования фазовых измерений и улучшить их качество. Предложенное упрощение коррелятора, заключающееся в обмене данными между ним и процессором только в моменты времени, контролируемые процессором (в нашем случае по прерываниям), можно отнести к новым результатам, т.к. позволяет повысить канальность приёмника и понизить его стоимость, не ухудшая его качества. Обработка сигналов ГЛОНАСС в одном р/ч тракте, ФЧХ которого близка к линейной, позволяет повысить качество измерений и эффективность их обработки.

7. Разработаны способы привязки измерений к миллисекундным отсчётам часов приёмника и вычисляемой в приёмнике шкалы UTC. Привязка производится с помощью интерполяции измерений с моментов миллисекунд внутренней шкалы времени приёмника на моменты вычисляемой в приёмнике шкалы UTC. Смещение этих моментов относительно друг друга оценивается в результате решения навигационной и скоростной задач. Разработанный способ решения скоростной задачи по приращениям псевдодоплеровских фаз позволяет формировать несмещённые оценки скоростей и относительной нестабильности частоты опорного генератора приёмника, что, по мнению автора, может считаться новым научным результатом. Предлагаемый способ привязки позволяет улучшить качество формируемых измерений. Привязка к вычисляемой шкале UTC позволяет устранить скачки в измерениях, обусловленные коррекцией часов приёмника и повысить точность синхронизации моментов измерений разнесённых приёмников до 0,1. 0,3 мксек.

8. Разработанная методика тестирования измерений позволяет эффективно оценивать качество измерений псевдодоплеровских фаз. Сущность тестирования заключается в получении невязок вторых разностей псевдодоплеровских фаз относительно точно известной базовой линии. Если измерения сформированы правильно, то невязки должны быть постоянными целыми числами с точностью до ошибок многолучёвости, шумов синхронизации и нелинейности ФЧХ р/ч трактов тестируемых приёмников. Как показали результаты реального применения, предлагаемая методика одинаково эффективна как для GPS, так и для ГЛОНАСС и, по мнению автора, может быть рекомендована для широкого использования в практике разработки навигационных приёмников. Методика позволяет оценить действующие в канале помехи и шумы измерений, а также нелинейность ФЧХ р/ч тракта приёмника. Методика проста в использовании. 9. Разработанные алгоритмы формирования измерений псевдодоплеровских фаз а также методики тестирования этих измерений применялись при проектировании в НИИКП GPS/TJIOHACC приёмника, измерения которого неоднократно успешно использовались в режиме высокоточной относительной навигации (рис.45,46). После подведения итогов диссертационного исследования можно наметить пути дальнейшего совершенствования разработок навигационных приёмников с точки зрения их пригодности для высокоточной относительной навигации. Для удобства формирования и обработки фазовых измерений лучше всего, когда приёмник обладает следующими свойствами:

1. Номинал периода следования прерываний равен 0,5 мсек. Это значительно облегчает привязку измерений к миллисекунде любой шкалы времени.

2. Понижение несущих GPS и ГЛОНАСС происходит в одном общем р/ч тракте приёмника. При вторичной обработке измерений это приводит к увеличению на единицу числа вторых разностей псевдодоплеровских фаз потому, что в этом случае достаточно одного общего опорного спутника по GPS и ГЛОНАСС. А чем больше вторых разностей, тем выше эффективность разрешения неоднозначностей фазовых измерений в режиме высокоточной относительной навигации. Следует признать, что обработка сигналов GPS и ГЛОНАСС в одном общем р/ч тракте предполагает цифровую обработку суммарного сигнала (GPS+ГЛОНАСС) в корреляторе на промежуточной частоте в полосе « 40 МГц. А это означает значительное повышение требований к быстродействию коррелятора.

1. Hofmann-Wellenhof, В. Lichtenegger, and J. Collins. Global Positioning System, Theory and Practice. Third, revised edition, 1994, p. 179-182.

2. Beser, A. Balendra, E. Erpelding, S. Kim. Differential GLONASS, Differential GPS and Integrated GLONASS/GPS, Initial Results// Proc. of ION GPS-95 Meeting, September 12-15,1995, session B2, session date: 9/13/95.

3. David Walsh, P. Daly. GPS and GLONASS Carrier Phase Ambiguity Resolution.// Proc. of ION GPS-96, Part 1 of 2: September 17-20,1996, Kansas City, Missouri.

4. Поваляев A.A., Хвалъков A.A. Относительные определения по фазе дальномерного кода и приращениям фазы несущих сигналов ГЛОНАСС// Измерительная техника, 1996, № 5.

5. GP1020 data sheet. GEC Plessey Semiconductors, Preliminary Information, July 1993.

6. Gurtner W., G.L. Mader The RINEX Format: Current Status, Future Developments// Second International Symposium on Precise Positioning with the Global Positioning System, Ottawa, Canada: Sept. 3-7,1990.

7. Elliott D. Kaplan. Understanding GPS. Principles and Applications. Artech House, Boston, London, 1996.

8. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment I Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200). Rockwell Int. Corp., 1987.

9. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС. Интефейсный контрольный документ. М.:КНИЦ ВКС, 1995.

10. Ю.Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС/ Под ред. В. Н. Харисова, А.И. Перова, В.А. Болдина. М.: ИПРЖР, 1998.11 .Баскаков С. И. Радиотехнические цепи и сигналы. М.: Высш. шк., 1988.

11. Peter Raby and Prof. Peter Daly. Using the GLONASS System for Geodetic Survey// Proc. of ION GPS-93 Vol.2.

12. Mr. Stuart Riley, Prof. Peter Daly. Performance of the GLONASS P-Code at LI and L2 Frequencies//Proc. of IONGPS-93 Vol.2: September 22-24, 1993.

13. Ы.Pratt, B. Burke, and P. Misra. Single-Epoch Integer Ambiguity Resolution with GPS-GLONASS LI Data// Proc. of ION GPS, 53-rd Annual Meeting.

14. Яворский Б. M. и Детлаф А. А. Справочник по физике, М.: Наука, 1985.

15. Цифровые радиоприёмные системы: Справочник/ М. И. Жодзишский, Р. Б. Мазепа, Е.П. Овсянников и др.; Под ред. М. Й. Жодзишского М.: Радио и связь, 1990.

16. LeickA. GPS Satellite Surveying. New York NY: John Willey & Sons, 1990.ll.Greenspan, R. L., A. Y. Ng, J. M. Przyjemski, and J. D. Veale. Accuracy of

17. Relative Positioning by Interferometry with Reconstructed Carrier, GPS

18. Experimental Results// 3rd International Geodetic Symposium on Satellite Doppler Positioning. Las Cruces, NM: Feb. 1982.

19. Поваляее А. А., Тюбалин В. В., Хвалъков А. А. Определение относительных координат по радиосигналам системы ГЛОНАСС// Радиотехника, 1996, №4, е.48-51.

20. Dr. Frank van Diggelen. GPS and GPS+GLONASS RTK Ashtech Inc. Sunnyvale, California, USA// Proc. of ION-GPS: September 1997 «New Product Description».

21. A. Kleusberg. Mathematics of Attitude Determination with GPS// GPS WORLD, September, 1995, p. 72.

22. Kuhi, M, Ferguson К, Qin X, Gourevitch S. Real-Time Attitude Determination Using the Ashtech Three-Dimensional Direction Finding System. Guidance Test Symposium, Holloman AFB, New Mexico: September 24-26, 1991.

23. Сетевые спутниковые радионавигационные системы/ В.С.Шебшаевич, П.П. Дмитриев, II.В. Иванцевич и др. Под ред. B.C. Шебшаевича. М.: Радио и связь, 1993.

24. ЪАТутшн Л. С. Теория оптимальных методов радиоприёма при флюктуационных помехах. М.: Советское радио, 1972.

25. Dmitry Kozlov and Michael Tkachenko. Centimeter-Level, Real-Time Kinematic Positioning with GPS+GLONASS C/A Receivers// Navigation: Journal of The Institute of Navigation, Vol. 45, No. 2, Summer 1998.