автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Повышение точности геодезических измерений с помощью рандомизации ошибки многолучевости в приемнике GPS/ГЛОНАСС

На правах рукописи

ВЕЙЦЕЛЬ Андрей Владимирович

УДК 621.396

ПОВЫШЕНИЕ ТОЧНОСТИ ГЕОДЕЗИЧЕСКИХ ИЗМЕРЕНИЙ С ПОМОЩЬЮ РАНДОМИЗАЦИИ ОШИБКИ МНОГО ЛУЧЕВОСТИ В ПРИЕМНИКЕ GPS/ГЛОНАСС

Специальность: 05.12.04 - Радиотехника, в том числе системы и устройства радионавигации, радиолокации и телевидения

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

МОСКВА-2003

Работа выполнена в Московском авиационном институте (государственном техническом университете)

Научный руководитель - доктор технических наук,

профессор Жодзишский М.И.

Официальные оппоненты:

Ведущая организация -

доктор технических наук, профессор Губонин Н. С, кандидат технических наук, Жданов А. В.

Федеральное государственное унитарное предприятие "НИИКП".

Защита состоится "_"_2004 г. (_) в _

часов на заседании диссертационного совета Д 212.125.03 в Московском авиационном институте (государственном техническом университете).

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МАИ.

Отзыв на автореферат в двух экземплярах, заверенных печатью, просим направлять по адресу:

125871, ГСП, Москва, Волоколамское шоссе, д. 4. Ученый совет МАИ. Ученому секретарю диссертационного совета Д 212.125.03.

Автореферат разослан "¿5 200^ г.

Ученый секретарь диссертационного совета, доцент, кандидат технических наук

Сычев М. И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Актуальность темы диссертации

Современные сетевые спутниковые радионавигационные системы (СРНС), такие как российская ГЛОНАСС и американская GPS (NAVSTAR), применяются для решения широкого круга задач, связанных с определением местоположения, скорости объекта и точного времени. В обеих системах для измерения дальности (точнее псевдодальности, так как неизвестна разница шкал времени спутника и приемника) используются псевдошумовые сигналы. На точность решения-навигационной задачи влияет множество факторов. Основными источниками ошибок в режиме абсолютного место-определения являются: а) ионосферная задержка радиосигнала, б) нестабильность спутникового эталона частоты, в) неточность эфемеридной информации, г) многолучевость, д) тропосферная задержка радиосигнала, е) тепловые шумы приемного тракта. Здесь эти источники перечислены в порядке уменьшения их вклада в результирующую ошибку абсолютного ме-стоопределения.

Ошибки, вызванные причинами а)-в), в значительной степени компенсируются благодаря использованию дифференциального метода местоопреде-ления, при котором измерению подлежит разность координат, (базовый вектор) между мобильным и базовым приемниками. Имея такой вектор и зная точные координаты базового приемника, можно вычислить координаты мобильного. На коротких базовых линиях, когда длина базового вектора меньше 10 км, эти ошибки проявляются практически одинаковым образом, как в мобильном приемнике, так и в базовом. Поэтому они почти полностью взаимокомпенсируются при вычитании. Однако этого нельзя сказать об ошибке многолучевости, которая определяется локальными условиями работы приемника: характером отражения местных предметов, их положением относительно антенны и спутников. В связи с этим, при дифференциальном методе на коротких базовых линиях ошибка многолучевости становится превалирующей. В фазовом дифференциальном методе местоопределения координаты базового вектора определяются по фазам несущих. В этом методе ошибка в координатах базового вектора определяется ошибкой много-лучевости по фазе несущей, а ошибка многолучевости по псевдодальности сказывается на увеличении времени, необходимого для разрешения неоднозначностей (целого числа длин волн). Считается, что значение этой ошибки лежит в пределах -7....7 м по псевдодальности и -2...2 см по фазе несущей.

Важной областью применения приемников сигналов спутниковых навигационных систем является геодезия, в

целым рядом преимуществ перед традиционными средствами. При высокоточных геодезических измерениях требуется обеспечить субсантиметровую точность местоопределения. Для достижения такой точности применяют фазовый дифференциальный метод. Одной из основных ошибок определения координат при геодезических измерениях являются ошибки многолуче-вости.

Стоит упомянуть следующие методы уменьшения ошибки многолучево-сти:

а) методы сглаживания измерений;

б) методы построения корреляторов следящих систем ФАП и ССЗ, отсекающие запаздывающий отраженный сигнал;

в) методы пространственной селекции;

г) методы рандомизации.

В диссертации рассматривается один из методов рандомизации ошибки многолучевости, осуществляемый за счет перемещения антенны в пространстве. Известен метод, при котором с помощью точных механических приводов перемещают антенну по некоторой детерминированной траектории и с помощью узкополосных систем слежения за сигналом усредняют многолу-чевость. Недостатком такого метода является сложность и громоздкость механических приводов для точного перемещения антенны по детерминированной траектории, что делает его неудобным для геодезических применений.

Следует отметить, что измерительная система для геодезических применений на основе навигационного приемника должна учитывать ограничения, накладываемые требованиями к мобильному устройству геодезиста - оперативность работы, масса, габариты, потребляемая мощность, стоимость.

Компанией «Topcon Positioning Systems» предложен метод рандомизации ошибки многолучевости, основанный на ручном качании геодезической штанги (обычно длиной два метра) с использованием датчика угла наклона штанги. Компания получила на этот метод патент №US6,633,256 «Methods and systems for improvement of measurement efficiency in surveying», но для его реализации необходимо было исследовать целый ряд проблем.

Исходя из вышесказанного, можно сформулировать следующие цель и задачи работы:

Цель и задачи работы

Целью данной работы является разработка методики и устройства для уменьшения влияния ошибки многолучевости на точность определения координат при геодезических измерениях за счет рандомизации многолучевой ошибки в навигационных—:приемниках GPS/ГЛОНАСС. Рандомизация

ошибки многолучевости осуществляется при ручном качании геодезической штанги и использовании датчика угла отклонения штанги от вертикали. В соответствии с этой целью в диссертации ставятся и решаются следующие задачи:

1. Анализ и выбор алгоритма совместной обработки разнородных измерений (координат навигационного приемника и угловых измерений). Оценивание возможности достижения субсантиметровой точности определения всех трех координат измеряемой точки (острия штанги) за короткое время;

2. Анализ влияния ошибок угловых датчиков, обоснование целесообразности применения угловых датчиков с присущими им постоянными ошибками, определение требований к датчикам и выбор датчиков подходящих по характеристикам, из числа моделей, выпускаемых промышленностью;

3. Анализ практически достижимой точности определения координат измеряемой точки с учетом реальных ошибок навигационного приемника и реальных ошибок выпускаемых промышленностью датчиков угла;

4. Обоснование требований к экспериментальному образцу геодезической штанги с датчиком угла, выбор необходимых дополнительных вычислительных средств, сопряжение и синхронизация их с процессором навигационного приемника, создание опытного образца изделия, планирование и проведение экспериментов;

5. Экспериментальное исследование точности определения координат измеряемой точки в реальных условиях.

Задача 1 решается в главах 1 и 2 диссертации, задача 2 - в главах 2 и 3, задача 3 - в главах 3 и 5, задача 4 - в главе 4, задача 5 - в главах 5 и 6.

Методы исследования

В работе использовались методы теории цифровой обработки сигналов, теории случайных процессов и матричной алгебры. Для обработки экспериментальных данных использовались методы математической статистики.

Научная новизна работы

заключается в следующем: Разработано представление исходной системы нелинейных уравнений, описывающих рассматриваемую измерительную систему, при котором обеспечивается сходимость метода наименьших квадратов при линеаризации относительно начальной точки, выбранной с реально достижимой погрешностью.

Проведен анализ точности определения координат измеряемой точки

при условии, что показания навигационного приемника обрабатываются совместно с измерениями датчика угла отклонения штанги. Показано, что увеличение числа неизвестных параметров, за счет систематических ошибок датчика угла отклонения, не приводит к существенному уменьшению точности измерения.

Практическая ценность результатов работы Решения по подавлению ошибки многолучевости, разработанные в диссертационной работе, позволяют уменьшить ошибку в определении геодезических координат (при работе навигационного приемника в фазовом дифференциальном режиме) до требуемой для геодезических применений сред-неквадратической ошибки - порядка 5-6 мм. Этот эффект достигается при незначительном увеличении аппаратных затрат. К существующему оборудованию добавляется только устройство с датчиком угла отклонения штанги, которое соединяется с навигационным приемником по стандартному интерфейсу. Это позволяет использовать серийно производимые навигационные приемники. Изменения, вносимые в программу обработки, не требуют использования более мощного процессора приемника. Предлагаемая методика позволяет в несколько раз увеличить оперативность работы геодезиста за счет отказа от предварительной установки штанги в строго вертикальное положение.

Результаты диссертационной работы были использованы в компании ООО «Топкон Позишионинг Системе СНГ", которая серийно выпускает аппаратуру для геодезических применений, что подтверждается актом о внедрении.

Основные положения, выносимые на защиту

1. Предложенная математическая модель, описывающая работу геодезического инструмента, определяющего координаты опорной точки штанги геодезиста, представляется в виде нелинейного функционала, заданного как сумма по N отсчетам квадратов отклонений измерений навигационного приемника от различных точек на поверхности сферы известного радиуса. Минимизация этого функционала обеспечивает решение, достаточно быстро сходящееся к истинным значениям координат центра этой сферы.

2. Совместная обработка измерений навигационного приемника и акселе-рометрического датчика отклонения штанги, при включении систематических ошибок датчика в число оцениваемых параметров, позволяет уменьшить ошибку оценки координат за счет рандомизации многолуче-вости при качании геодезической штанги за достаточно малое время.

3. Разработанная имитационная модель, учитывающая инструментальные ошибки и типовые внешние воздействия, позволяет сформулировать рекомендации по выбору траектории движения штанги, уточнить требования к конструкции инструмента и учесть дополнительные потери из-за корреляции ошибки многолучевости в обрабатываемой выборке и динамических возмущений.

4. Для получения субсантиметровой точности координат измеряемой точки геодезисту достаточно вручную плавно качать штангу в течение 3060 секунд, отклоняя ее от вертикали до 20 градусов. Качание необходимо проводить в различных плоскостях, плавно изменяя плоскость качания.

5. Натурные испытания макета геодезической штанги в городских условиях подтвердили адекватность использованных моделей и показали возможность достижения субсантиметровой точности. Улучшение точности по сравнению с традиционными методами составляет до 30% про; центов по СКО, в зависимости от условий местности проведения измерений.

Публикации иапробации

Основные результаты диссертации изложены в печатных работах [1-4] и были представлены на всероссийской * молодежной научной конференции «VI Королевские чтения».

Объем и структура работы

Диссертационная работа изложена на 134 листах машинописного текста, включая 22 листа иллюстраций и 2 таблицы. Диссертационная работа состоит из введения, шести глав, заключения, списка литературы, приложения.

СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении обоснована актуальность темы диссертации, приводится краткое описание технических аспектов построения спутниковой навигационной системы ГЛОНАСС и GPS. Приводятся примеры различных областей применения спутниковых навигационных систем и потребителей, в том числе описывается особая область применения навигационных приемников — геодезические измерения. Приводятся данные по требуемым точностям определения координат при геодезических измерениях и требованиям к мобильной геодезической аппаратуре.

В первой главе приведены новые научные результаты, даны све-

дения о методах исследования, практической ценности работы и внедрении ее результатов, сформулированы основные положения, выносимые на защиту.

При геодезических измерениях базовый приемник устанавливается в точку с точно известными координатами, подвижный приемник устанавливается в точку, координаты которой подлежат измерению, - "измеряемая точка". Приемник измеряет координаты фазового центра антенны, который не совпадает с измеряемой точкой, поэтому для вычисления координат необходимо знать положение интересующей нас точки относительно координат фазового центра антенны приемника.

Невертикальность установки переносной геодезической штанги является одним из двух основных источников ошибок при геодезических измерениях. Вторым основным источником ошибок является ошибка многолучевости. Эта ошибка возникает из-за того, что на вход навигационного приемника кроме основного сигнала приходят копии этого сигнала, отраженные от местных предметов и имеющие параметры, отличные от прямого сигнала. После сложения всех этих сигналов параметры суммарного сигнала, измеряемые приемником, будут отличаться от параметров прямого, что и приводит к возникновению ошибки многолучевости.

В этой главе диссертации проведен анализ существующих методов борьбы с вышеописанными ошибками. Показано, что большинство существующих методов борьбы с ошибками многолучевости не эффективны для высокоточных геодезических применений. Одним из важных требований при геодезических измерениях являются такие параметры, как габаритные и весовые показатели системы, стоимость и время, необходимое для измерения одной геодезической точки с требуемой точностью.

Наибольшее внимание уделяется методу, который основан на произвольном ручном качании геодезической штанги с использованием датчика угла отклонения штанги от вертикали. В этой главе сформулированы основные проблемы этого метода, исследованию которых и посвящена диссертация.

Во второй главе анализируется метод, запатентованный компанией «Trimble Navigation Limited», который предлагает способ борьбы с ошибкой невертикальной установки штанги только за счет качания штанги. При этом методе для определения координат измеряемой точки обрабатывается совокупность измерений навигационного приемника с учетом условия, что все измерения находятся на сфере известного радиуса. Для обработки данных от навигационного приемника используется метод наименьших квадратов (МНК). Проведенный в работе анализ метода показал, что при допустимом угле качания штанги, даже в идеальном случае, требуемая для геодезиста

точность координат за короткое время не обеспечивается.

Далее подробно рассматриваются точностные характеристики системы, в которой используется координаты, выдаваемые навигационным приемником, совместно с измерениями датчика угла отклонения штанги от вертикали. Существует несколько вариантов записи функционала, минимум которого должен быть найден. Например, можно минимизировать отклонения между измеренными точками и сферой известного радиуса. При дополнительном измерении угла наклона штанги количество вариантов записи функционала увеличивается. Различные варианты описываются матрицами различной размерности и соответственно требуемыми вычислительными затратами. Вычисления должны производиться на специальном вычислителе навигационного приемника, поэтому в работе рассматривались варианты с наименьшими вычислительными затратами.

Метод, предложенный в патенте компании «Trimble Navigation Limited», описывается функционалом

вида:

F1(«,Z0)=¿(м -Л)2 -Уо)2 +(Zt -zoy -if [1]

где^УоТо - координаты искомой точки, Х^У^ — координаты фазового центра антенны для ьго измерения, N — количество измерений, Ь — длина геодезической штанги. На рис.1 графически показаны отклонения, которые минимизировались методом МНК.

При анализе метода, основанного на ручном качании штанги с датчиком угла отклонения, были рассмотрены несколько различных вариантов функционалов. В результате анализа из них был выбран наилучший по точности определения искомых координат и наименьшими вычислительными затратами. Этот функционал записывается в виде:

=~хо)2+(.у, -Уо)2+(г, - г0у - ь} ■ + + + (г, - г0 - ¿созда ]

где Хо,У0,2ю - координаты искомой точки, Хъ¥^ - координаты фазового центра антенны для 1-го измерения, N - количество измерений, Ь - длина геодезической штанги, 0 - угол отклонения штанги от вертикали. Этот

функционал состоит из суммы по N отсчетам квадратов отклонений трех типов. Первый тип - это отклонения измерений навигационного приемника

от сферы с радиусом Ь (рис.1). Второй тип - это отклонения искомой точки на плоскости Х,У от окружностей с центрами в точках с координатами Х),¥ь измеряемых навигационным приемником, и радиусами, определяемыми измеренным углом, равными Z-sin(Л) (рис.2). Третий

тип отклонений — это невязки между высотой искомой точки Zo и ее измерениями (рис.3). В пространстве эти отклонения определяют расстояние от точки, измеренной навигационным приемником, до двух различных точек на поверхности сферы. При минимизации этого функционала система нелинейных уравнений решается методом линеаризации. Было показано, что в качестве начального приближения можно использовать координаты, выдаваемые навигационным приемником при приблизительно вертикальном расположении штанги.

В диссертации были проанализированы различные типы угловых датчиков, выпускаемых промышленностью: механические, жидкостные, микроэлектромеханические, основанные на использовании гравитационного поля Земли. Датчики сравнивались по множеству критериев: тип и уровень ошибки, габариты, потребляемая мощность, стоимость и др. В результате проведенного сравнительного анализа был выбран микроэлектромеханический датчик - акселерометр.

Рис.2. Отклонения измерений от искомой точки на плоскости Х,¥

2,-^+1.0)8(8,)-

. ^+1.008(9,) ■22

- г„+ 1X08(9,)

■А

/

Рис.3. Невязки по высоте

и

Этот датчик измеряет сумму статического и динамического ускорения, действующего параллельно его внутренним осям. В нашем случае полезным параметром является статическое ускорение, а динамическое ускорение из-за качания штанги является мешающим фактором. Датчик имеет две перпендикулярные внутренние оси, которые должны быть расположены перпендикулярно оси штанги и соответственно параллельно плоскости земли при вертикально установленной штанге. Анализ показал, что при таком расположении осей точность определения угла будет выше, чем для случая, когда собственная ось датчика направлена параллельно оси штанги. Выдаваемые датчиком значения позволяют определить косинус угла отклонения от вертикали. Измерения датчика содержат две составляющие ошибки: шумовую и систематическую. Шумовая ошибка датчика зависит от его типа и полосы. В результате статистического исследования было показано, что систематическая ошибка различна от образца к образцу, имеет зависимость от температуры и может достигать нескольких градусов.

Был проведен анализ различных способов борьбы с систематической ошибкой углового датчика. Один из способов заключается в компенсации этой ошибки за счет предварительной калибровки. Однако результаты показали, что он не позволяет достичь требуемой точности. Способ весьма-сложно реализуем и не учитывает эффекта старения датчика. В диссертации предложен более эффективный способ борьбы с систематической ошибкой датчика. Он заключается в том, что в систему уравнений были добавлены два дополнительных неизвестных параметра: систематические смещения показаний датчика по двум его внутренним осям. Минимизируемый функционал при этом записывается в виде:

А» Луо)=¿[(М -Х0У+№ -1;)2+(г, -г0)г -ь) +

+ [¿(X, -Х0У+ (У, - У0)2 - Ьу1(Ах, -Ах0у+ (Ау, - Ау0У + [3]

[г, - г0 - Ь^-{Ах1-Ах0У-(Ау1-Ау0У^

где Хо,Уо,2о — координаты искомой точки, —координаты фазового

центра антенны для 1-го измерения, N - количество измерений, Ь - длина геодезической штанги, - косинусы углов между вертикалью и внут-

ренними осями датчика, - постоянные смещения показаний датчи-

ка.

Проведенный анализ показал, что при таком методе использование микроэлектромеханического датчика утла (акселерометра) позволяет повысить

точность по СКО приблизительно в 3.4 раза по плановым координатам и 1.4 раза для вертикальной координаты, по сравнению с методом без использования датчика угла наклона.

Результаты, полученные в этой главе, носят предварительный характер, поскольку основывались на допущении о независимости ошибок в соседних измерительных точках, что не справедливо для ошибок многолучевости, и не учитывались ошибки датчика угла, связанные с динамикой движения штанги. Для учета этих ошибок была разработана имитационная модель.

В третьей главе описывается разработанная имитационная модель системы. Модель была создана с помощью - программного комплекса МаНаЬ5.2 для персонального компьютера ЮМ РС. При моделировании рассматривались различные виды движения штанги, учитывались ошибки определения координат из-за влияния многолучевости и ошибки датчика угла из-за динамического ускорения.

В этой главе описываются характеристики многолучевости и рассматриваются различные варианты моделей многолучевости. Многолучевость вызывает ошибки в измеренных координатах фазового центра антенны навигационного приемника. В высокоточных системах эти ошибки определяются фазовыми измерениями на несущей частоте и зависят главным образом от относительных амплитуд и фаз отраженного сигнала. Если антенна движется, фаза меняется и определяет характер изменения координатной ошибки. При небольших значениях амплитуды отраженного сигнала и на ограниченных интервалах времени координатные ошибки можно описывать функциями вида:

где Q. - скорость изменения относительной фазы i-oro отражения; Ф, -

фаза i-ro отражения; а, - амплитуда ошибки координаты, вызванная i-ым отраженным сигналом; к- количество отражающих поверхностей.

Были исследованы различные варианты ошибки многолучевости при отражении сигнала от зеркальных поверхностей. Эти поверхности были как горизонтальными поверхностями под антенной, так и вертикальными стенками. При этом варьировались различные траектории движения штанги с антенной (рис.4,5). В результате моделирования были сформированы рекомендации к траектории перемещения фазового центра антенны. Было получено, что наклона штанги на углы до 20 град достаточно, для эффективного усреднения ошибок многолучевости по всем трем координатам. Показано, что для снижения влияния динамических ускорений

t

[4]

угловой датчик необходимо установить не выше нескольких сантиметров от острия штанги. Определено, что СКО шумовой ошибки датчика не должно

превышать 0.5 град. Наилучшими траекториями перемещения штанги с антенной являются траектории изображенные на рис.5. При таком перемещении осуществляются наклоны штанги в различных направлениях с плавным изменением направлений наклона. Такие траектории довольно легко практически достижимы при ручном качании штанги геодезистом и обеспечивают наилучшие условия для рандомизации ошибки многолучевости.

В четвертой главе рассмотрен ряд аспектов конструкции измерительной системы для геодезических измерений. Эта система состоит из стандартного навигационного приемника, навигационной антенны, геодезической штанги, модема для приема дифференциальных поправок от базовой станции и устройства измерения угла отклонения штанги от вертикали.

В этой главе были сформулированы требования к конструкции устройства, которое измеряет угол отклонения штанги от вертикали. Устройство представляет собой цилиндрический корпус с острым концом, который накручивается на нижний конец стандартной геодезической штанги. Угол острого конца штанги определяется эргономическими требованиями. Геодезист среднего роста должен видеть точку на земной поверхности, в которую он устанавливает штангу.

В качестве датчика для измерения угла был выбран микроэлектромеханический (MEMS) акселерометр. Промышленностью выпускаются различные виды акселерометров. Одним из важных критериев для выбора акселерометра являются его габариты. Он должен иметь малые габариты, т.к. должен располагаться в нижнем конусном конце устройства измерения угла. В качестве такого датчика был выбран акселе-

рометр ADXL202AE компании «Analog Devices». Он имеет габариты 5ммх5ммх2мм и осуществляет измерения одновременно по двум ортогональным осям. Были рассмотрены различные варианты схемотехнической

реализации устройства измерения угла, отличающиеся по потребляемой мощности, степени миниатюризации, стоимости, времени необходимому на разработку и изготовление. На рис.6 приведена схема разработанного устройства. Информация* с двух осей акселерометра поступает в микроконтроллер, где, по разработанному алгоритму, обрабатывается и, в виде данных об угле наклона, передается по стандартному интерфейсу в навигационный приемник.

Были определены требования к точности синхронизации навигационного приемника и устройства измерения угла. Навигационный приемник определяет координаты в дискретные моменты времени с частотой до 10 Гц и в эти же моменты времени должны быть сняты данные об угле наклона штанги с акселерометра. Был проведен анализ влияния точности синхронизации устройств на точность определения координат. Полученные результаты были учтены в реализации устройства, а также в алгоритме и программе микроконтроллера.

В пятой главе приведены результаты полунатурного моделирования, проведенного со стандартным навигационным приемником, антенной, геодезической штангой и разработанным и изготовленным устройством измерения угла отклонения штанги. Были получены реальные измерения координат фазового центра антенны и датчика угла при качании штанги. Качание производилось по предложенной в диссертации методике. Реальные измерения были записаны и использованы в качестве исходных данных для последующей обработки на персональном компьютере.

Для получения реальных данных проводилась серия экспериментов. На крыше высотного 20-ти этажного здания в городе Москве была установлена базовая станция. Место, в которое она была установлена, имело точно известные координаты и обеспечивало хорошую видимость спутников. В ближайшей части города это было самое высотное здание, что обеспечивало низкий уровень многолучевых ошибок базовой станции.

Рис.6. Блок-схема устройства измерения угла

Измеряемая точка находилась на крыше соседнего 5-ти этажного здания. Рядом с этим зданием находилось несколько высотных зданий, на крыше

находилось большое количество возвышений, стенок, поручней и труб. Все эти факторы создавали довольно сильную многолучевость в измеряемой точке. На рис.7 показана корреляционная функция ошибок многолучевости по координате Z. По оси абсцисс на графике отложены дискретные моменты времени - "эпоха", в которые навигационный приемник выдавал значение координат, и для данного случая она равнялась двум секундам. По графику видно, что время корреляция ошибки составило около одного часа. Для получения координат измеряемой точки в ней проводились измерения в течение длительного времени. Для этого в эту точку была установлена штанга с антенной строго вертикально с помощью специальных геодезических приборов и приспособлений.

Затем в этой, заранее измеренной точке, проводилась различные эксперименты. Была проведена серия коротких экспериментов с антенной на штанге, установленной строго вертикально. В результате было показано, что при таких коротких экспериментах, точность определения координат составляет порядка 8 мм по СКО при усреднении за 5 минут. В этой же точке проводились эксперименты с использованием устройства измерения угла отклонения штанги от вертикали. При проведении экспериментов вращение штанги осуществлялось по различным траекториям. Штанга отклонялась на разные углы, а ее верхний конец с антенной вращался по окружностям, при этом осуществлялось различное вращение штанги вокруг собственной оси. Результаты обработки данных показали, что СКО оценки координат составляет от 4 до 6 мм. В результате показано, что выигрыш по сравнению со статическим измерением координаты этой измеряемой точки составляет порядка 30% по СКО и обеспечивает существенный выигрыш по производительности работы геодезиста. Это объясняется тем, что для статического эксперимента, первоначально, необходимо строго вертикально установить штангу с антенной или антенну на треноге над геодезической точкой. Процедура занимает длительное время и оборудование имеет большой вес. Штанга с датчиком угла является портативным устройством с малым весом и обеспе-

Рис.7. Корреляционная функция по координате Ъ

чивает, за то же время непосредственного измерения, более высокую точность.

В шестой главе приведены результаты экспериментального исследования реальной измерительной системы. Для этого было доработано программное обеспечение навигационного приемника по предложенному в диссертации алгоритму. Для экспериментов также использовалось промышлен-

но изготовленное устройство измерения угла отклонения штанги от вертикали (рис.8). Эксперименты проводились в различных условиях: около деревьев, в чистом поле, около заборов, ограждений и зданий. Для этих экспериментов один навигационный приемник с антенной был установлен в качестве базовой станции, а два других использовались в качестве подвижных для измерения координат точек на земле.

Приемники работали в фазовом дифференциальном режиме. Для этого с базовой станции на подвижные приемники по радиолинии, с помощью модемов, поступали дифференциальные поправки. Измерения проводились после разрешения неоднозначностей приемниками в стандартном и исследуемом режимах. Антенна приемника в стандартном режиме заранее устанавливалась на геодезической треноге над измеряемой точкой и приемник измерял координату в статическом режиме. Антенна приемника в исследуемом режиме была установлена на штанге с датчиком угла. Эта штанга устанавливалась в измеряемую точку недалеко от приемника со стандартным режимом, при этом штанга качалась по различным траекториям, в соответствии с разработанной в диссертации методике. Измерения обоих приемников проводились одновременно. Эксперимент повторялся многократно в одной и той же точке в различное время суток и в различные дни. По результатам проведения эксперимента рассчитывалось СКО определения координат геодезической точки.

Анализ результатов натурных экспериментов подтвердил, что разработанная в диссертации методика обеспечивает достаточно высокую точность определения координат при геодезических измерениях. Улучшение точности по сравнению с традиционными методами составляет до 30% процентов по СКО, в зависимости от условий местности проведения измерений. При этом в несколько раз уменьшается суммарное время измерения за счет от-

,-

и*'£М/11£1.)&&л£££М Рис.8. Устройство измерения угла

сутствия необходимости предварительной вертикальной установки антенны над измеряемой точкой. Таким образом, повышается производительность работы геодезиста. Устройство имеет малые габариты, вес, эксплуатационно удобно и позволяет обеспечить субсантиметровую точность определения координат за время измерений 30-60 секунд.

ОСНОВНЫЕ РЕЗУЛЬТАТЫ РАБОТЫ

В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленными целью и задачами:

1. Показано, что совместная обработка измерений навигационного приемника и акселерометрического датчика отклонения штанги от вертикали, при включении постоянных ошибок датчиков в число измеряемых параметров, позволяет уменьшить ошибку оценки координат за счет рандомизации многолучевости при качании геодезической штанги.

2. Предложена методика обработки разнородных измерений - координат фазового центра антенны и угла отклонения штанги от вертикали.

3. Разработана имитационная модель, которая учитывает инструментальные ошибки и типовые внешние воздействия. Она позволяет сформулировать рекомендации по выбору траектории движения штанги, уточнить требования к конструкции инструмента и учесть дополнительные потери из-за динамических возмущений и корреляции в обрабатываемой выборке.

4. Проведенное имитационное моделирование и натурные эксперименты позволили определить условия движения штанги, при которых обеспечивается рандомизация ошибки многолучевости, что позволяет обеспечивать сглаживание соответствующих ошибок за время меньшее минуты.

5. Результаты экспериментов в реальных условиях подтвердили адекватность использованных математических моделей и показали возможность достижения требуемой субсантиметровой точности для геодезических измерений. Улучшение точности по сравнению с традиционными методами составляет до 30% процентов по СКО, в зависимости от условий местности проведения измерений. Предложенная методика позволяет существенно экономить время работы геодезиста в полевых условиях.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИИ

1. Вейцель А.В. "Обработка сигналов навигационного приемника GPS/TJIOHACC для повышения точности геодезических измерений? // Синхронизация, формирование и обработка сигналов. Материалы научно-технического семинара. Ярославль 3-5 июля 2003г. — стр. 122124.

2. Вейцель А.В., Жодзишский М.И. "Применение датчиков азимута и угла наклона для увеличения точности измерений по спутниковым системам Глонасс и GPS" // Всероссийская молодежная научная конференция «VI Королевские чтения» 2001г. Тезисы докладов. Секция "Радиотехники и радиотехнических устройств"

3. Вейцель А.В., Жодзишский М.И. "Аппаратура для экспериментального исследования* системы совместного слежения в навигационном приемнике" // Ракетные и аэрокосмические системы: Сборник тезисов статей студентов, аспирантов и молодых ученых. — М.: Изд-во МАИ, 2000г. - стр.58-61

4. Вейцель А.В., Жодзишский М.И. "Обеспечение надежности мобильных испытаний аппаратуры потребителя спутниковых навигационных систем" // Проблемы перспективной авиационной техники: Сборник статей научно-исследовательских работ студентов, аспирантов и молодых ученых.-М.: Изд-во МАИ, 1999г. - стр.65-68

Соискатель

Вейцель А.В.

* - 3198

Введение.

1. Геодезическое применение спутниковой навигационной системы.

1.1. Геодезические измерения.

1.2. Анализ ошибок при геодезическом применении спутниковой навигационной системы.

1.3. Обзор методов борьбы с ошибками многолучевости.

1.4. Рандомизация ошибки многолучевости.

1.5. Рандомизация ошибки многолучевости при геодезических измерениях.

2. Алгоритмы геодезических измерений.

2.1. Общая постановка задачи.

2.2. Повышение точности за счет дополнительных измерений угла.

2.3. Датчики угла отклонения от вертикали.

2.3.1. Типы существующих датчиков угла отклонения.

2.3.2. Ошибки датчика угла.

2.4. Определение систематических ошибок датчика угла при увеличении неизвестных параметров.

3. Имитационное моделирование.

3.1. Описание имитационной модели.

3.2. Модели многолучевости.

3.3. Динамические ошибки датчика угла отклонения.

3.4. Эксперименты на имитационной модели.

4. Аспекты реализации конструкции геодезической штанги с

• датчиком угла отклонения.

5. Полунатурное моделирование.

6. Экспериментальное исследование точности определения геодезических координат.

Спутниковая навигационная система GPS/ГЛОНАСС

Спутниковая навигация - это новая, быстро развивающаяся ветвь навигации подвижных объектов. Она явилась одной из первых областей прикладной космонавтики, ориентированной на удовлетворение потребностей практической деятельности человека. Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую радионавигационную систему, в которой роль опорных радионавигационных точек выполняют искусственные спутники земли, несущие навигационную аппаратуру [1].

Навигационные искусственные спутники земли (НИСЗ) являются аналогом неподвижных радионавигационных точек, представляющих собой опорные пункты наземных радионавигационных систем. Перенос радионавигационных точек из наземных точек *с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привёл к существенным изменениям в построении этих радионавигационных систем. Если наземные радионавигационные системы содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру радионавигационных точек и потребителей, то СРНС включает в себя ряд дополнительных звеньев. В состав СРНС входят: подсистема космических аппаратов, подсистема контроля и управления и аппаратура потребителей. Подсистема контроля и управления обеспечивает подсистему космических аппаратов необходимой информацией для создания глобального навигационно-временного поля. С использованием аппаратуры потребителей решаются навигационные задачи по полученным данным навигационных измерений и сообщениям, а в некоторых случаях и другим данным.

Упрощённая структурная схема СРНС (рис.1.1) включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру потребителя, командно-измерительный комплекс и центр управления [10,2,1].

Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развёртывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса.

Рис.1.1. Упрощённая структурная схема СРНС.

КИК - командно-измерительный комплекс;

ЦУ - центр управления.

Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объём служебной информации. На НИСЗ, как на космическом аппарате, размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования.

Аппаратура потребителей предназначается для приёма сигналов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированная ЭВМ.

Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими, как космическими аппаратами.

Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с командно-измерительным комплексом.

В настоящее время широко используются для навигации объектов спутниковые радионавигационные системы «Глонасс» (Россия) и «Навстар» или GPS (США) [1,2]. Эти СРНС позволяют решать как частные навигационные задачи, так и практически все основные задачи навигационно-временного обеспечения различных военных и гражданских потребителей. Они обеспечивают глобальные, непрерывные в реальном масштабе времени, высокоточные определения пространственных координат места и скорости объектов, а также поправок времени и частот их генераторов. СРНС удовлетворяют перспективным требованиям к навигационному и временному обеспечению различных потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближнем космическом пространствах.

Данные СРНС обеспечивают решение большого числа различных навигационных задач военными и гражданскими потребителями. При этом повышается эффективность выполнения боевых операций, обеспечивается проведение научно-исследовательских и поисковых работ для военных и гражданских целей, снижаются аварийность, расход топлива и т.д. [1]. Это обеспечивается за счет достаточно высокой точности, которая достигается при абсолютной навигации (10м или 30м при режиме селективного доступа в GPS) СРНС. Кроме этого часто применяется дифференциальный режим, использующий как относительную кодовую навигацию (0.5м-1м), так и относительную фазовокодовую навигацию (1см-2см). В основе дифференциального метода лежит формирование разности измерений между базовой станцией и передвижной станцией, что и придало методу название дифференциальный. Внимание к дифференциальному режиму связано с необходимостью обеспечивать решение задач, требующих точностей лучше, чем 10 м., а также стремлением гражданских потребителей повысить точность навигации, обеспечиваемую предоставляемым им кодом С/А [15].

Структура дифференциальной подсистемы поясняется рис. 1.2, где изображено рабочее созвездие из четырёх НИСЗ, выбранное потребителем как оптимальное для выполнения им навигационно-временного определения в стандартном режиме. Собственно дифференциальную подсистему образуют средства наземной контрольно-корректирующей станции и дополнительные бортовые устройства потребителя.

На контрольно-корректирующей станции размещены: базовая станция - аппаратура потребителей системы, способная в результате накопления измерений и фильтрации случайных погрешностей обеспечить наиболее точные навигационно-временные определения; формирователь корректирующей информации, вычисляющий поправки на сильно коррелированные погрешности и формирующий кадр корректирующей информации; передатчик корректирующей информации.

На борту потребителя размещаются: аппаратура приёма корректирующей информации и устройство ввода корректирующей информации в стандартную аппаратуру потребителя. Антенна аппаратуры потребителя, размещённая на контрольно-корректирующей станции, привязывается на местности с геодезической точностью.

НИСЗ-1 СЮ нисз-2

Истинные координаты ККС

Рис.1.2. Структура дифференциальной подсистемы: ККС - контрольно-корректирующая станция; КИ - корректирующая информация.

В дифференциальном режиме на борту потребителя результаты определений в стандартном режиме будут автоматически корректироваться с помощью переданных с контрольно-корректирующей станции поправок. Поскольку контрольно-корректирующая станция имеет ограниченную зону действия, на обеспечиваемой территории размещается ряд таких станций, каждой из которых потребитель пользуется в зоне уверенной передачи ею корректирующая информация.

Область возможного применения дифференциального режима сравнительно широка. В литературе рассматриваются возможности использования дифференциального режима в основном по трём направлениям: для повышения точности навигации при работе с сигналами с С/А-кодом; для повышения точности при приёме сигнала с Р-кодом; для восстановления точности при нештатной работе систем «Глонасс» и «Навстар».

В зависимости от решаемых задач при дифференциальной навигации могут быть использованы разные режимы, отличающиеся способом передачи результатов измерений от базовой станции к потребителю. В режиме постобработки эти результаты передаются в виде записей в цифровой форме и поступают потребителю после того, как все измерения закончены. При постобработке потребитель восстанавливает свое положение на определенные моменты прошедшего времени.

Другой режим - реалтайм-обработка - предусматривает местоопределение пользователя непросредственно во время измерений. Режим реалтайм-обработки использует линию связи (обычно это радиосвязь), по которой в цифровой форме передается от базовой станции к потребителю вся необходимая информация.

Повышение точности дифференциальной навигации может быть достигнуто, если измерения псевдодальностей по кодам дополнить измерениями фазы несущей частоты. Если измерить фазу несущей, полученного от спутника в приемнике базовой станции, и сравнить ее с фазой несущей от того же спутника, измеренной в приемнике потребителя, можно получить точность до нескольких процентов от длины волны несущего колебания.

Практическая реализация тех преимуществ, которые могут обеспечить измерения по фазе несущей, связана с необходимостью разрешения неоднозначности фазовых измерений.

Общая схема вычислений подробно изложена в литературе по спутниковой навигации. Наиболее полно это изложение можно найти на английском языке в книге Bradford W.Parkinson, James J.Spilker Jr., Global Positioning Theory and Applications [11]. На русском языке - в книге по ред. В.С.Шебшаевича Сетевые спутниковые радионавигационные системы (1993) [10].

Отдельные проблемы, связанные с обработкой навигационной информации, рассматриваются во многих статьях, руководствах и патентах.

Потребители спутниковой навигационной системы

До последнего времени создание СРНС осуществлялось в соответствии с требованиями, определяемыми их первоначальным целевым предназначением. Общими для GPS и Глонасс при этом были требования глобальности, независимости от гидрометеорологических условий, подстилающей поверхности, рельефа местности, окружающей растительности, застройки, времени суток и года, непрерывности, неограниченной пропускной способности, практической независимости от высоты над поверхностью земли, помехозащищенности и других условий движения определяющегося объекта.

Использование СРНС в интересах местоопределения и навигации гражданских объектов (самолетов и вертолетов, морских и речных судов, автомобилей, топопривязчиков и др.) выдвигает новые более высокие требования, вытекающие из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения, а также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка, поиск полезных ископаемых, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей).

Рассмотрим различные области применения спутниковых радионавигационных систем.

Зональная навигация и заход на посадку. При заходе на посадку на аэродром, не оборудованный специальными радиотехническими посадочными системами, требуется точность до 5 м. При работе по С/А-коду в стандартном режиме посадка на необорудованный аэродром не обеспечивается. Применение дифференциального режима открывает такие возможности для большого парка самолётов коммерческой и гражданской авиации. В тоже время военные самолёты, решающие те же задачи с использованием Р-кода, получат в дифференциальном режиме ещё более высокую точность.

Навигация судов в узких проливах и каналах. При проходе по узким судоходным руслам, за счёт использования дифференциального режима можно будет повысить безопасность движения судов. При вождении в узких каналах современных крупногабаритных судов требуется точность 4-10 м., для реализации которой в дифференциальном режиме могут оказаться недостаточными возможности при работе с С/А-кодом и потребуется использовать Р-код.

Поддержание строя при совместном движении. При совместном движении боевых самолётов и кораблей, транспортных самолётов, самолётов-заправщиков, судов на подводных крыльях, танков и других объектов бывает необходимо поддерживать строй с высокой точностью. Эту задачу можно решать при работе по сигналам с С/А-кодом или с Р-кодом (в зависимости от объекта), используя дифференциальный режим. Все единицы группы проводят сопоставление своих координат с координатами других участников движения, получая в результате вычитания практически полную компенсацию сильно-коррелированных погрешностей. Полученные относительные координаты будут иметь точность на уровне шумовых погрешностей аппаратуры.

Всепогодное наведение вертолётов на промысловые плавающие средства. Проведение разведки нефти и других промысловых работ в открытом море с плавающих средств создаёт необходимость всепогодного наведения на них вертолётов при пополнении необходимых запасов. Такая задача может обеспечиваться использованием дифференциального режима при котором контрольно-корректирующая станция размещается на плавающей базе, а вертолёт, оснащённый аппаратурой потребителя, совершает заход на посадку, получая от контрольно-корректирующей станции соответствующие поправки. Поскольку в этом случае по мере приближения вертолёта расстояние между потребителем и контрольно-корректирующей станцией уменьшается, остаточная ошибка будет уменьшаться, что позволит полностью реализовать возможности дифференциального метода.

Картографические и геодезические работы.

Важной областью применения приемников сигналов спутниковых навигационных систем является геодезия, в которой такие приемники обладают целым рядом преимуществ перед традиционными средствами. К этим преимуществам прежде всего относятся: оперативность, всепогодность, возможность работы в любое время суток, отсутствие необходимости прямой видимости при выполнении дифференциальных измерений.

В настоящее время решение широкого круга геодезических задач уже невозможно представить без применения спутниковых радионавигационных систем глобального обзора типа ГЛОНАСС и GPS. Геодезические методы, основанные на использовании этих систем, занимают ведущие позиции при построении глобальных и региональных геодезических сетей, определении параметров вращения Земли, решении задач глобальной и региональной геодинамики. Геодезические СРНС-определения, благодаря повышенной точности, оперативности, независимости от погодных условий, отсутствию требований к взаимной видимости между определяемыми пунктами, практически вытеснили традиционные наземные геодезические методы при построении локальных сетей как общего назначения, так и сетей, создаваемых для определения деформации земной поверхности природного и технического происхождения. Все более массовый характер приобретает использование СРНС-аппаратуры при проведении геодезических и топографических съемок различного назначения, при геодезической привязке аэроснимков и космических снимков высокого разрешения, а также для непосредственной геодезической привязки положений фотокамер в процессе выполнения аэросъемки.

Задачи глобальной и региональной геодинамики, налагают на СРНС наиболее жесткие требования по точности и дальности передачи координат

Змм + 5мм на каждые 1000 км (3mm+5E-9*L, где L - расстояние) [1]. При решении задач локальной геодинамики на территориях протяженностью от нескольких десятков до нескольких сотен километров необходима точность Змм+1мм на каждые 10км. Повышенные требования к точности возникают и при использовании спутниковых методов для определения нормальных высот (спутниковое нивелирование). Необходимая при этом точность определения высот составляет 5мм+10.30мм на каждые 100км [1].

Задача обеспечения точности 5-8 мм возникает также при проведении высокоточных геодезических измерений. При этом аппаратура должна быть достаточно простой в обращении и экономной по энергопотреблению. Важно также обеспечить быстрое получение измерений с требуемой точностью т.к. работа геодезиста предусматривает проведение измерений в достаточно большом количестве разных точек. Достижение точности дифференциальных измерений с погрешностью 5-6 мм в частности при геодезических работах является актуальной задачей, которой посвящена эта работа.

Выводы:

Имитационное моделирование показало, что данная система позволяет бороться с некоторыми вариантами многолучевых сигналов, принимаемых навигационным приемником. В результате моделирования удалось сформировать некоторые требования к траектории перемещения антенны с геодезической штангой. Их суть заключается в том, что перемещения должны быть линейными в различных направлениях. При движении не должно быть резких поворотов и изменений направлений движения, которые характеризуются большими ускорениями. Один из вариантов таких траекторий приведен на рис.3.5В.

Имитационное моделирование не позволяет полностью проверить работоспособность системы. В данном случае модель многолучевости была очень приближенной. В реальности влияние многолучевых сигналов на ошибку определения координат значительно более сложное, чем описанное формулой 3.2. Поэтому усреднение многолучевости будет хуже, чем показало имитационное моделирование. При моделировании были использованы идеальные детерминированные траектории движения. В случае реального движения выдержать такие детерминированные траектории будет практически невозможно. Также очень сложно осуществлять движение ускорений. Поэтому в реальных условиях система будет определять координаты с худшей точностью, чем показало имитационное моделирование. Имитационное моделирование позволило выработать требования к системе и рекомендации к траекториям движения которые вкратце сводятся к следующему:

1. штангу надо качать плавно без рывков и резких наклонов, изменять направление движения также надо плавно,

2. качать штангу достаточно в течение 30-60 сек,

3. датчик угла должен быть расположен в нижнем конце штанги.

Для более полной оценки точности системы необходимо полунатурное моделирование.

4. Аспекты реализации конструкции геодезической штанги с датчиком угла отклонения

Для получения реальных данных необходимо было создание опытного образца системы.

Рассмотрим основные части системы и ее работу. Система состоит из антенны, приемника сигналов навигационных спутниковых систем, геодезической штанги, средства обеспечения дифференциальными поправками, устройства измерения угла отклонения штанги от вертикали. Т.к. данная система предназначена для проведения высокоточных геодезических измерений, то ее составляющие должны соответствовать этим требованиям. Антенна должна применяться с малыми флуктуациями фазового центра, обладать центральной симметрией диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Желательно применение двухчастотной антенны. Навигационный приемник должен поддерживать режим фазовых измерений. Обработка измерений может производиться как в режиме пост-обработке, так и в режиме реалтайм-обработке. В режиме постобработки данные записываются одновременно в приемнике, расположенным в измеряемой точке, и в приемнике, расположенном в специальной базовой точке, относительно которой проводят дифференциальные измерения. Этот второй приемник называется базовой станцией. Записанные измерения затем обрабатываются в одном месте на компьютере с помощью специальной программы. В режиме реальных измерений с базовой станции измерения пересылаются с помощью модема передачи дифференциальных поправок в приемник, расположенный в измеряемой точке. Обработка данных происходит в программе, выполняющейся в этом приемнике. В случае работы в фазовомдифференциальном режиме происходит разрешение неоднозначностей и выдача относительного фазового решения координат.

В данной системе рекомендуется использовать двухсистемный приемник GPS/ГЛОННАС, т.к. он обеспечивает большое количество спутников при работе данной системы. Количество спутников в данном случае актуально, т.к. при качании штанги некоторые спутники могут не приниматься. Отклонение штанги происходит на малые углы, но спутники с малыми углами возвышения могут переставать ловиться. Иногда при малом числе спутников GPS дополнительные спутники системы ГЛОННАС позволяют получить необходимое количество спутников для вычисления координат.

По ранее сделанным выводам об особенностях применения датчика угла наклона было сделано устройство измерения угла отклонения штанги от вертикали. Это устройство имеет цилиндрический корпус, заканчивающийся острым концом, и представляет из себя нижний конец штанги (см. рис.4.1). Обычная геодезическая штанга с антенной на верхнем конце нижним концом вкручивается в это устройство. Датчик измерения угла должен находиться в нижней части корпуса, максимально близко к нижнему концу. Его высота от нижнего конца штанги определяется габаритами датчика и размерами корпуса. Обычно нижний конец геодезической штанги делается острым и имеет угол ~20 град. Это определяется спецификой использования геодезических штанг при навигационных применениях. Человек, держащий такую штангу, должен со своего роста видеть точку на земле, в которую он втыкает нижней конец штанги. Угол нижнего конца штанги выбирается под средний рост человека. Изготовленное устройство, которое представляет собой нижней конец штанги с датчиком угла наклона, было сделано с углом 20 град, у нижнего основания.

Датчик угла, который должен быть в нем размещен на высоте порядка 2 см, должен иметь очень малые габариты. В качестве такого датчика была применена микросхема ADXL202AE, производимая компанией «Analog Devices» [71-73]. Эта микросхема является акселерометром, способным измерять проекции вектора ускорения на свои две взаимоперпендикулярные чувствительные оси х и у. Как было предложено ранее, оси датчика должны быть расположены параллельно поверхности Земли и соответственно перпендикулярно оси штанги. Измеряемое акселерометром ускорение складывается из динамической составляющей и статической. Если динамическое воздействие мало (акселерометр практически неподвижен), то он выдает практически только значение проекций вектора ускорения свободного падения в сумме с шумовой составляющей на чувствительные оси. Причем, т.к. ускорение выдается в единицах ускорения свободного падения g, то выходные сигналы акселерометра равны cos(^) и cos[<ру), где

9х и Фу углы между соответствующей осью акселерометра и вектором ускорения свободного падения.

Выбранный датчик имеет очень малые габариты - 5мм* 5мм*2мм. Датчик был установлен на печатную плату, которая, в свою очередь, была расположена в корпусе нижнего конца штанги. При этом печатная плата расположена в корпусе перпендикулярно оси штанги. В связи с ограниченными возможностями изготовления экспериментального образца устройства, датчик удалось расположить только на высоте 4см от нижнего конца корпуса. При этом на датчик будут действовать ускорения, в два раза большие, чем рассчитанные в главе 2. Датчик был расположен строго в центре корпуса, поэтому на него не будет действовать центростремительное ускорение в случае вращения штанги.

Для съема и передачи информации об угле отклонения штанги в навигационный приемник в корпус с датчиком была установлена электронная схема. С датчика информация выдается в виде аналогового сигнала и двухуровневого сигнала с цифровыми логическими уровнями "0" (нуля) и "1" (единицы). Для обработки аналогового сигнала необходимо использовать аналого-цифровой преобразователь(АЦП). Затем информацию с АЦП необходимо обработать и передать по стандартному интерфейсу RS232. Для этого может быть применен микроконтроллер. В разработанном макете устройства информация с датчика снималась через двухуровневый сигнал. Этот сигнал представляет собой широтно-импульсную модуляцию. Информация об ускорении заложена в отношении длительности импульса к периоду импульсов. Период следования импульсов порядка 1кГц. Для измерения длительности импульсов был использован микроконтроллер. Для измерения длительности импульсов в микроконтроллере использовался специальный блок счетчиков. Счетчики запускались в момент начала импульсов и останавливались в момент окончания импульсов. Такой вариант позволил отказаться от использования АЦП и упростить схему. Микроконтроллер выбирался исходя из необходимой скорости работы счетчиков и производительности для вычислений. Был выбран микроконтроллер фирмы Atmel. Он работает на частоте 8МГц, имеет целочисленный 8 битный процессор и блок счетчиков.

На рис.4.2 приведена схема разработанного устройства. Сигналы с акселерометра поступают в микроконтроллер в блок счетчиков, а затем информация со счетчиков поступает с процессор. Информация со счетчиков в процессоре пересчитывается в ускорения по двум осям датчика в единицах ускорения свободного падения g. высота от земли - 2см.

Рис.4.1 синхросигнал

Передача информации из микроконтроллера осуществляется через последовательный порт. Для этого в устройстве использована микросхема транслятора уровней из цифровых логических сигналов микроконтроллера в сигналы интерфейса RS232.

Для работы устройства совместно с навигационным приемником необходима синхронизация устройства. Данные измерения угла должны быть синхронны с данными навигационного приемника. Точность синхронизации определяется динамикой движения штанги и частотой вычисления координат навигационным приемником. Навигационный приемник вычисляет координаты фазового центра антенны с частотой 1.10Гц. С этой же частотой должны измеряться данные об угле отклонения штанги. При максимальной скорости наклона штанги 20 град/сек, точность привязки данных должна быть не хуже 5 мсек. При такой точности синхронизации ошибка будет не больше 0,1 град, что сопоставимо с точностью датчика угла. Для синхронизации микроконтроллера с навигационным приемником был использован служебный сигнал интерфейса RS232. В интерфейсе RS232 есть сигналы для приема и передачи информации (которые для приема-передачи были использованы) и несколько служебных сигналов (один из них был использован для синхронизации). Процессор навигационного приемника формирует через служебный сигнал тактовые импульсы для микроконтроллера. По ним микроконтроллер снимает данные с датчика угла и выдает их в навигационный приемник. Такая синхронизация позволила получить точность порядка 1-2мсек.

Для работы микроконтроллера была написана программа на языке программирования СИ. Затем она была откомпилирована в машинный код и загружена в постоянную память микроконтроллера. Укрупненная блок-схема этой программы приведена на рис.4.3.

Рис.4.3

5. Полунатурное моделирование

В процессе разработки и отладки системы выполнялось полунатурное моделирование. В отличие от имитационной модели здесь все внешние воздействия получались в результате натурного эксперимента, записывались в память ЭВМ, а затем обрабатывались на разработанной ранее программе для определения координат измеряемой точки в компьютере IBM PC.

В компании ООО «Топкон Позишионинг Системе СНГ" в соответствии с предложенной конструкцией был изготовлен образец геодезической штанги с включением устройства измерения угла отклонения штанги от вертикали.

Для проведения этого эксперимента была использована базовая станция, которая установлена в условиях с хорошей видимостью спутников и с малой многолучевостью. Базовая станция была установлена на крыше 20 этажного здания в городе Москве. В ближайшей части города это было самое высотное здание. Базовая станция была установлена в точке с известными координатами.

Измеряемая точка находилась на крыше соседнего 5-ти этажного здания. Рядом с этим зданием находилось несколько высотных зданий, на крыше находилось большое количество возвышений, стенок, поручней и труб. Все эти факторы создавали довольно сильную многолучевость в измеряемой точке.

Для получения координат измеряемой точки в ней проводились измерения в течение длительного времени. Для этого в эту точку была установлена штанга с антенной строго вертикально с помощью специальных геодезических приборов и приспособлений. Использовались специальная тренога и пузырьковые уровни. На рис. 5.1 показана эта конструкция.

После проведения измерений была произведена обработка статического файла данных (записанного в течении ~16 часов) выдаваемых RTK приемника ( режим реал-тайм обработки с разрешением неоднозначностей) между базой, установленной на базовой точке, и неподвижным приемником, установленным на измеряемой точке.

Весь участок разбивался на 10 участков по 2000 эпох. Эпоха равняется 2 сек, т.е. участок приблизительно 1 час 6 мин.

По этим участкам построены автокорреляционные функции (см. рис 5.2, 5.3, 5.4). По ним видно что, время корреляции координат порядка 1 часа. Основная составляющая этой ошибки - это многолучевая ошибка. Для каждого из этих участков были рассчитаны математическое ожидание и СКО координат. Они приводятся ниже в таблице 5.1.

По всем этим данным были получены координаты измеряемой точки:

XYZ+CKOxyz= (-1.988839766883555е+004, -2.109091188601699е+001, -7.177061628376812е+001)±

1.304304751339672е-003, 6.977782612400923е-004, 1.365139799720646е-003)

Рис.5.1

-5

-6 х 10

Рис.5.3

-5 х 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленными целью и задачами:

1. Показано, что применение датчика угла наклона позволяет уменьшить ошибки многолучевости в определении координат навигационным приемником,

2. Показана возможность применения реально выпускаемых промышленностью датчиков для измерения угла,

3. Разработана методика совместной обработки координат навигационного приемника и измерений угла с учетом ошибок измерений реальных датчиков,

4. Разработаны рекомендации к конструкции системы, даны рекомендации по моделям датчиков. Разработанная система упрощает определение координат за счет отсутствия необходимости вертикальной установки геодезической штанги,

5. Экспериментальное изучение влияния ошибок многолучевости на точность определения координат показало, что предложенная обработка измерений датчика угла и координат навигационного приемника позволяет улучшить точность определения координаты точки на земле на 10-30% по сравнению с усреднением координат навигационного приемника в этой же точке. Совместная обработка измерений и усреднение осуществлялись за одно и то же время.

1. Харисов В.Н., Перов А.И., Болдин В.А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. - М.: ИПРЖР, 1998

2. Поваляев А.А. Спутниковые радиосистемы управления движением в околоземном пространстве. М.: МАИ, 1994.

3. Березин Л.В., Вейцель В.А. Теория и проектирование радиосистем / Под ред. Типугина В.Н. М.: Сов. радио, 1977. - 448 с.

4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука, 1980. 976 с.

5. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции: Пер с англ. / Под ред. В.И. Тихонова -М.: Сов. радио, 1972. 744 с.

6. Вейцель В.А., Жданов А.В., Жодзишский М.И. Стробовые корреляторы в навигационных приемниках с псевдошумовыми сигналами // Радиотехника. -1997, №8. С. 11- 20.

7. Вейцель А.В. "Обработка сигналов навигационного приемника GPS/ГЛОНАСС для повышения точности геодезических измерений // Синхронизация, формирование и обработка сигналов. Материалы научно-технического семинара. Ярославль 3-5 июля 2003г.

8. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС // Интерфейсный контрольный документ. Координационный научно-информационный центр ВКС РФ, 1995. 54 с.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей М.: 1958.

10. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; под ред. B.C. Шебшаевича-М.: Радио и связь, 1993. -408 с.

11. Parkinson B.W., Spilker J.J. Global Positioning Theory and Aplication, 1991.

12. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: Радио и связь, 1994. -480 с.

13. Вейцель А.В., Жодзишский М.И. Применение датчиков азимута и угла наклона для увеличения точности измерений по спутниковым системам Глонасс и GPS // Всероссийская молодежная научная конференция «VI Королевские чтения» 2001г. Тезисы докладов

14. М.Вейцель А.В., Жодзишский М.И. Аппаратура для экспериментального исследования системы совместного слежения в навигационном приемнике // Ракетные и аэрокосмические системы: Сборник тезисов статей студентов, аспирантов и молодых ученых М.: МАИ 2000г.

15. Жодзишский М.И. Проектирование цифровых устройств обработки широкополосных сигналов. М.: МАИ, 1986 г. - 52 с.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 735 с.

17. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. -М.: Советское радио, 1971.-568 с.

18. Агаджанов П. А., Дулевич В.Е., Коростелев А.А. Космические траекторные измерения. Радиотехнические методы измерений и математическая обработка данных. -М.: Сов. радио, 1969

19. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1-я. -М.: Сов. радио, 1974. -552 с.

20. Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер с англ. -М.: Радио и связь, 1985. 392 с.

21. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. -М.: Энергия, 1972. 456 с.

22. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Сов. радио, 1969.- 232 с.

23. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. -М.: Радио и связь, 1987.-184 с.

24. Рабинер JI. Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер с англ. / Под ред. Александрова Ю.А. -М.: Мир, 1978. 848 с.

25. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Васин В.В., Власов О.В., Григорин-Рябов В.В., Дудник П.И., Степанов Б.М.; под ред. Григорина-Рябова В.В. -М.: Сов. радио, 1970. 680 с.

26. Радиорелейные и спутниковые системы передачи / А.С. Немировский, О.С. Данилович, Ю.И. Маримонт и др.; под ред. А.С. Немировского М.: Радио и Связь, 1986. -392 с.

27. Сейдж Э., Меле Д. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении: Пер с англ. / Под ред. Б.Р. Левина -М.: Связь, 1976. 496 с.

28. Вейцель В.А., Типугин В.Н., Основы радиоуправления. Учебное пособие для вузов М.: Сов. Радио, 1973г.

29. А.П.Жуковский, В.В. Расторгуев Автономные комплексированные устройства и системы управления. -М.: МАИ, 198131 .Теоретические основы радиолокации и радионавигации / Сосулин Ю.Г.: М.: Радио и связь, 1992г. 304 с.

30. Теория обнаружения сигналов / П.С. Акимов, П.А. Бакут, В.А. Богданович и др.; под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и Связь, 1984. -440 с.

31. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления, М: 1962

32. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1977. -286 с.

33. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и Связь, 1983. -320 с.

34. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Радио и связь, 1982. -624 с.

35. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Сов. радио, 1966. -681 с.

36. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970.- 728 с.

37. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсяников и др.; под ред. М.И. Жодзишского М.: Радио и Связь, 1990. -208 с.

38. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила- Новицкий, В.А. Прасолов и др.; под ред. Жодзишского М.И. М.: Сов. Радио, 1980.-208 с.

39. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1962.- 480 с.

40. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1980.- 360 с.

41. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985.-344 с.

42. Comp C., Axelrad P. An adaptive SNR -based carrier phase multipath mitigation technique // Proc. of the 1996 Int. Tech. Meeting of the ION, Kansas City, MS, 1996, pp. 683-697.

43. Dai D., Walter Т., Comp C., Tsai Y., Ко P., Enge P., Powell D. High integrity multipath mitigation techniques for ground reference stations // Proc. of the 1997 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1997, pp. 593-604.

44. Filippov V., Tatarnicov D., Ashjaee J., Astakhov A., Sutiagin I. The First Dual-Depth Dual- Frequency Choke Ring // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

45. Global Positioning System: theory and applications / Ed. Parkinson В., Spilker J. -American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.- 794 p.

46. Lyusin S., Khazanov I. Techniques for Improving Antijamming performance of Civil GPS/GLONASS Receivers // Proc. of the 1997 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1997, pp. 1489-1495.

47. Multipath Estimating Delay Lock Loop. Specification / http://www.novatel.eom/GPSTECH/TECH/AVIATION/SPECS/MEDSPEC.H TM.

48. Navstar GPS Space Segment/ Navigation User Interfaces // Interface Control Document. ICD-GPS-200C. 1997. -138 p.

49. Patent №US5512905 Pole-tilt sensor for surveyor range pole / Mark E. Nichols, Nicholas C. Talbot Trimble Navigation Limited, 1996.

50. Patent №US6633256B2. Metods and systems for improvement of measurement efficienty in surveying / Zhdanov V.A., Ashjaee J. Topcon Positioning Sytems, 2003.

51. Patent №US5929807 Metod and apparatus for precision location of GPS survey tilt pole / Ian Timothy Viney, Philip Richard Jackson, Trimble Navigation Limited, 1999.

52. Townsend В., Fenton P. A practical approach to the reduction of pseudorange multipath errors in a LI GPS receiver // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 143-148.

53. Townsend В., Van Nee R., Fenton P., Van Dierendonck K. LI Carrier phase multipath reduction using MEDLL technology// Proc. of the 1995 Int. Tech. Meeting of the ION, Palm Springs, CA, MO, 1995, pp. 1539- 1544.

54. Townsend В., Van Nee R., Fenton P., Van Dierendonck K. Performance evaluation of the Multipath Estimating Delay Lock Loop // Proc. of the 1995 Nat. Tech. Meeting of the ION, Anaheim, CA, USA, 1995.

55. Turin L., Clapp F., Jonston Т., Fine S., Lavry D. A statistical model of urban multipath propagation // IEEE transactions on vehicular technology, Vol. VT-21, No. 1, Feb. 1972.

56. Understanding GPS: principles and applications / Ed. Kaplan E. -Artech House,1996.- 554 p.

57. Van den Brekel В., Van Nee R. GPS multipath mitigation by antenna movements // Electronic letters, 3 December, 1992 Vol. 28 No 25 pp. 22862288.

58. Van Nee R., Siereveld J., Fenton P., Townsend B. The Multipath Estimating Delay Lock Loop: approaching theoretical accuracy limits // Proc. of the IEEE Position, Location and Navigation Symposium, Las Vegas, NV, USA, 1994, pp. 246-251.

59. Veitsel V., Zhdanov A., Zhodzishsky M. The mitigation of multipath errors by strobe correlators in GPS/GLONASS receivers // GPS Solutions, Volume 2, Number 2, Fall 1998.

60. Weill L. Achieving theoretical accuracy limits for pseudoranging in the presence of multipath // Proc. of the 1995 Int. Tech. Meeting of the ION, Palm Springs, CA, MO, 1995, pp. 657-664.

61. Weill L. C/A code pseudoranging accuracy- how good can it get? // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 133141.

62. Weill L. Conquering multipath: the GPS accuracy battle // GPS World, April1997, pp. 59-66.

63. Weill L. GPS multipath mitigation by means of correlator reference waveform design // Proc. of the 1997 Nat. Tech. Meeting of the ION, Santa Monica, CA, 1997, pp. 197-206.

64. WIPO PCT Publication WO 97/06446. Multipath error reduction in a spread spectrum receiver for ranging applications / Zhodzishsky M., Veitsel V., Sila-Novitsky S., Ashjaee J., Garin L. Filed Aug. 08, 1996.

65. WIPO PCT Publication WO 98/13947. A signal correlation technique for a spread spectrum receiver to reduce multipath errors / Garin L., Zhodzishsky M., Veitsel V., Sila-Novitsky S., Kamgar F. Filed Sep. 25, 1996.

66. Zhodzishsky M., Cherniavsky D., Kirsanov A., Vorobiev M., Prasolov V., Zhdanov A., Ashjaee J. In-band interference suppression for GPS/GLONASS // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

67. Zhodzishsky M., Yudanov S., Veitsel V., Ashjaee J. Co-Op tracking for carrier phase // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

68. Mitigation of multipath in DGPS ground reference stations. M.S. Braasch, F. van Graas. Proc. of the National Technical Meeting. The Institute of navigation. San Diego, 1992

69. Understanding accelerometer scale factor and offset adjustments, Charles Kitchin, Application Note №396, 2000

70. Low cost 2g dual-axis accelerometer with duty cycle output ADXL202, Datasheet, Analog Devices, 2000

71. Compensating for the offset drift of the accelerometer, Charles Kitchin, Paul Brokaw, Application Note №380, 2000