автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.14, диссертация на тему:Повышение точности местоопределения приемника сигналов ГНСС при изменении режима работы

На правах рукописи

005046494 УДК 621.396.933:527,8

J

НИКИТИН Дмитрий Павлович

Повышение точности местоопределения приемника сигналов ГНСС при изменении режима работы

Специальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»

АВТОРЕФЕРАТ

Диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук

2 6 ИЮЛ ¿012

Москва, 2012

005046493

Работа выполнена на кафедре 402 «Рапиосистемы управления и передачи информации» Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Научный руководитель:

кандидат технических наук, доцент Вейцель Андрей Владимирович

Официальные оппоненты:

доктор технических наук, профессор

Миронов Михаил Аркадьевич, Военный учебно-научный центр ВВС «Военно-воздушная академия имени Н. Е. Жуковского и Ю- А. Гагарина», старшин научный сотрудник.

кандидат технических наук

Аверин Сергей Владиславович, ООО Топкон Позншионинг Системе, начальник математической группы.

Ведущая организация:

ОАО «Российские космические системы».

Защита диссертации состоится « 2012 г. в 1 / : J Jy на заседании

диссертационного совета Д 212.125.03 при Московском авиационном институте (национальном исследовательском университете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе Д. 4.

на заседании

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института (национального исследовательского университета).

Дата рассылки автореферата: « ^ Ь » июня 2012 г.

Ученый секретарь

диссертационного совета Д 212.125.03

к.т.н., доц.

Сычёв М.И.

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ

Работа посвящена исследованию методов повышенна точности определения координат потребителя с применением приемников сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) при возникновении ситуаций изменения режима работы приемника и, соответственно, точности определения позиции приемника. Рассматриваются методы оценки направления движения объекта по измерениям одиночного навигационного приемника с одной антенной при движении на малых скоростях.

Актуальность темы

С расширением сферы ГНСС, ужесточаются и требования к точности, устойчивости, надежности, накладываемые на оцениваемые навигационным приемником пространственно-временные параметры. Для получения навигационных определений разной точности, приемник настраивают для работы в заданном режиме местоопределения. Режим определения координат одиночного приемника по собственным измерениям псевдодальности в литературе называют режимом абсолютной (автономной) навигации. Режим определения координат подвижного приемника относительно координат базового приемника по измерениям псевдодальности называют режимом кодовой дифференциальной навигации, а по фазовым измерениям режимом фазовой дифференциальной навигации. В работе рассмотрено функционирование навигационного приемника в данных режимах местоопределения.

Для решения конкретных задач пользователю необходимо выбрать режим работы навигационного приемника, обеспечивающий требуемые характеристики точности и надежности определяемых параметров. Однако, в реальных условиях навигационная аппаратура потребителя (НАП) часто не способна на все время выполнения целевой задачи функционировать в дифференциальном режиме местоопределения. Это обусловлено влиянием внешней среды распространения сигнала, пропаданием сигнала от базовой станции, затенением большого количества навигационных космических аппаратов (НКА), аномальными ошибками и другими факторами. В таких условиях навигационный приемник может переключаться, например, из режима фазовой дифференциальной навигации (ДН) в абсолютный режим или в режим кодовой ДН, что приводит к получению навигационного решения с более низкими точностными характеристиками. Далее в работе режим фазовой ДН будем называть высокоточным режимом местоопределения, а режим абсолютной навигации - грубым режимом местоопределения. В свою очередь оценки координат, полученные при решении навигационной задачи в любом режиме местоопределения, до введения дополнительной обработки будем называть первичными оценками координат. Переключение режима работы навигационного приемника наряду с изменением рабочего созвездия НКА или с возникновением аномальных измерений неразрывно связано с

резким изменением точности оценок координат приемника, что недопустимо для ряда приложений. При автоматическом управлении сельскохозяйственной и строительной техникой резкое случайное изменение режима местоопределения может' привести к выходу из строя управляемого механизма. Возникновение таких ситуаций, как правило, не позволяет продолжать решение целевой задачи пользователя даже при участии оператора в управлении автоматизированным транспортным средством. Внезапное пропаданне высокоточного решения наряду с появлением аномальных ошибок или с резким ухудшением условий внешней среды является нештатной ситуацией, преодоление которой является одной из актуальных задач повышения точности определяемых пространственных параметров.

В процессе решения широкого круга задач автоматического управления сельскохозяйственными машинами, а также управления системами орошения и удобрения, важным оцениваемым параметром является направление движения сельскохозяйственного транспортного средства в азимутальной плоскости. В таких системах направление движения оценивается с использованием измерений вектора скорости одиночного навигационного приемника с одной антенной. Метод определения направления движения транспортного средства (ТС) с использованием проекций вектора скорости навигационного приемника в ряде случаев, например, при малых скоростях движения или при резком торможении и остановке ТС, обеспечивает недостаточную точность. При уменьшении амплитуды вектора становится практически невозможно оценивать аргумент данного вектора. В то же время, для автоматического управления движущимися ТС, необходимо знание данного параметра. Поэтому задача определения направления движения ТС с заданной точностью при решении вышеуказанных задач является актуальной.

Точность определяемых навигационными приемниками пространственных параметров, зависит как от режима его работы, так и от метода обработки измерений. Эта зависимость проявляется, когда происходит изменение режима работы навигационного приемника. Появление высокоточного режима работы повысит точность местоопределения, но резкое изменение оценки позиции может вывести управляющий техническим средством механизм из строя. Для предотвращения такой ситуации применяются сглаживающие алгоритмы, что уменьшает среднюю точность. Возникает противоречие требований к точности навигационного решения и требований к отсутствию резких выбросов в оценке позиции потребителя, которое приводит к задаче поиска навигационного решения по нескольким критериям (критерию точности и критерию гладкости). Разработка количественной меры для оценю! навигационного решения по критерию гладкости, которую можно было бы наряду с традиционными мерами точности использовать для выбора наиболее подходящего алгоритма обработки и режима работы, является актуальной задачей.

В целом, решение вышеперечисленных задач является важным направлением исследований, так как оно позволит повысить точность определения пространственных параметров при возникновении нештатных ситуации (пропадание высокоточного и появление грубого решения), возникающих в процессе решения навигационных задач для широкого круга приложений ГНСС.

Научная проблема

На точность определяемых навигационным приемником пространственных параметров (собственных координат, составляющих вектора скорости и т.д.) большое влияние оказывают условия внешней среды. При временном ухудшении этих условий принимаются специальные меры, позволяющие продолжать определение координат для решения целевой задачи, но с некоторой потерей точности. С этой целью изменяется режим работы навигационного приемника или адаптируются параметры обработки. Такие меры повышают надежность обработки навигационных измерений. Обработка навигационных измерений в хороших условиях описана в теории, имеются рекомендации для синтеза алгоритмов и проектирования систем при некоторых допущениях. Решения, полезные в нештатных ситуациях мало исследованы и практически не затронуты общей теорией оптимизации.

В работе исследуется функционирование приемника сигналов ГНСС в нештатных ситуациях, и разрабатываются обоснованные рекомендации для проектирования навигационных приемников повышенной надежности.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов обработки навигационных измерений (НИ), обеспечивающих повышение точности пространственных параметров, определяемых навигационным приемником, при работе в сложных условиях (затенение большого количества НКА, возмущения в атмосферном слое, возникновение множественных отраженных сигналов) или при возникновении нештатных ситуаций (пропадание сигнала от базовой станции, случайная смена режима работы навигационного приемника, сильные внешние радиопомехи и т.д.). Исходя из цели работы, основными задачами исследований являются:

- анализ существующих методов обработки оценок координат навигационного приемника, полученных при навигационных измерениях, направленных на повышение точности этих оценок (например, применение сглаживающих алгоритмов);

- исследование методов обработки НИ, обеспечивающих решение целевой задачи при пропадании на коротком интервале времени (несколько минут) навигационных определений, полученных с помощью высокоточного режима работы приемника;

- разработка метода, позволяющего продолжать оценку направления двнження с заданной точностью при уменьшении значения модуля скорости поступательного движения в одиночном навигационном приемнике с одной антенной;

- проведение с помошью имитационного моделирования и натурных экспериментов анализа методов сглаживания оценок координат навигационного приемника по точностному критерию и критерию гладкости при работе навигационного приемника в условиях случайной смены режимов местоопределения.

Новизна работы заключается в следующем:

- проведено исследование существующих алгоритмов и методов сглаживания оценок координат навигационного приемника при возникновении нештатных ситуаций и случайной смене режимов работы навигационного приемника в процессе решения навигационной

- задачи;

- предложен метод обработки измерении, предусматривающий адаптацию сглаживающего фильтра в угломерном канале так, чтобы уменьшение модуля скорости поступательного движения в горизонтальной плоскости при движении объекта не приводило к срыву угловых измерений;

- показано, что мерой гладкости могут служить статистические оценки первой производной по времени от ошибки координатных измерений;

- разработана модель ошибок координат навигационного приемника в режимах абсолютной и дифференциальной навигации с учетом возможной случайной смены режимов работы навигационного приемника, которая позволяет реализовать программы для имитационного моделирования и обосновать методику экспериментов для проверки эффективности предложенных методов.

Положения, выносимые на зашит}'

1. Применение модифицированного фильтра Калмана при поступлении на него для совместной обработки первичных оценок координат и фазовых приращений координат, имеющих разную точность, позволяет обеспечить повышение точности опенок координат при случайном изменении режима работы навигационного приемника в условиях произвольной динамики движения.

2. Метод адаптации параметров сглаживающего фильтра в канале угла для определения направления движения объекта, включающий сужение полосы в зависимости от измеренного модуля вектора скорости и расширение полосы при обнаружении маневра по углу, позволяет определять направление движения в горизонтальной плоскости при условии, что

среднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки измерения не превысит величины 0,6 градусов.

3. Модель ошибок координат навигационного приемника, которая учитывает возможность смены режимов местоопределения, действие собственных шумов приемника, отраженных сигналов, остаточных ошибок ионосферы и изменение рабочего созвездия НКА, позволяет провести имитационное моделирование и выбрать метод обработки первичных оценок координат для проведения натурных экспериментов.

4. Методика эксперимента, основанная на оценке фактических ошибок местоопределения путем сравнения показаний исследуемого приемника с контрольным приемником в фазовом дифференциальном режиме и ее реализация при статических и кинематических экспериментах в условиях случайной смены режимов работы приемника, позволяет провести натурные эксперименты и подтверждает возможность повышения точности при использовании сглаженных оценок координат по сравнению с первичными оценками в 3 раза по СКО ошибки.

Практическая значимость работы

Предложенные и рассмотренные в работе методы повышения точности и надежности пространственных параметров, определяемых навигационным приемником, реализованы в программном обеспечении и внедрены в навигационную аппаратуру потребителя, выпускаемую компанией Топкон Позишионинг Системе. Предложенный критерий гладкости для оценки качества навигационных решений используется в задачах сельского хозяйства.

Апробация работы

Результаты работы представлены в 8 печатных работах, в том числе в 4 статьях в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций и доложены автором на двух конференциях, в том числе одной международной.

КРАТКОЕ СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ

Во введении к диссертационной работе произведен краткий обзор научной литературы по данной тематике, обосновывается актуальность темы исследований, сформированы цели и задачи исследования, приводятся основные положения, выноснмые на зашиту.

В первой главе рассмотрены общие вопросы построения и применения ГНСС, состав систем, приведено краткое описание отечественной системы ГЛОНАСС и зарубежных ГНСС, приведены основные сравнительные характеристики, выполнена классификация НАП. Освещен круг задач,

решаемых с помощью ГНСС, проблемы, возникающие при работе навигационной аппаратуры в реальных условиях. Рассмотрены основные виды ошибок местоопределения:

- ошибки навигационной системы;

- ошибки, связанные с распространением сигнала;

- ошибки приемной аппаратуры.

Представлены основные режимы местоопределения - абсолютное автономное местоопределение и дифференциальное местоопределение. Под абсолютным автономным местоопределение понимается определение абсолютного местоположения навигационного приемника, используя только его собственные измерения. При этом в общем случае используются только кодовые измерения навигационного приемника. Ошибки местоопределение в таком режиме могут достигать десятков метров. Дифференциальное местоопределение производится относительно другой точки, обычно с точно известными координатами, требует наличия еще одного навигационного приемника, находящегося в этой точке (так называемой базовой станции), и канала передачи корректирующей информации. Используя совместную обработку измерений базового и подвижного приемников, потребитель получает возможность точнее определять свои относительные координаты за счет компенсации значительной части сильно коррелированных ошибок.

Режим дифференциальной навигации (ДН), основанный на измерениях псевдодальностей, называют кодовым дифференциальным режимом (в англоязычной литературе Differential GPS -DGPS). Он позволяет достигать метровой точности местоопределения. Дифференциальный режим работы по фазовым измерениям в реальном времени (в англоязычной литературе Real Time Kinematic - RTK), обеспечивает сантиметровую точность определения координат приемника, что является приемлемым для большинства современных приложений.

В главе освещены причины, по которым может происходить резкое ухудшение точности местоопределения или непреднамеренное переключение работы приемника из более высокоточного режима местоопределение в более грубый режим:

- возникновение переотраженных сигналов (эффект многолучевости) и даже irx захват при отсутствии прямого сигнала;

- частые потери сигналов от НКА;

- перескоки в системе фазовой автоподстройки частоты (ФАП);

- невозможность отслеживания сигнала одного и того же НКА в течение времени, необходимого для сглаживания кодовых измерений фазовыми;

- сильное возмущение в ионосферном слое (ионосферные вихри);

- возникновение аномальных ошибок;

- потеря сигнала базовой станцин.

Для компенсации влияния этих факторов применяют различные методы, в том числе:

- использование дополнительной внешней информации от инерцнальных модулей или других радиотехнических систем;

- сглаживание кодовых измерений псевдодальностей с помощью фазовых измерений, применяя различные фильтры;

- применение специальной опорной стробовой последовательности для уменьшения ошибок, порождаемых многолучевостью;

- сглаживание первичных оценок координат приемника.

Показана актуальность повышения точности местоопределенпя без применения внешних измерительных модулей, а с помошью дополнительной программной обработки оценок координат.

Рассмотрены известные методы повышения точности местоопределенпя с применением теории фильтрации, используемые ведущими мировыми производителями навигационной аппаратуры. Однако существующие методы адаптированы под конкретные режимы работы навигационного приемника или определенные задачи. Поэтому при возникновении нештатных ситуаций, случайной смене режима местоопределенпя или если реальное движение приемника не соответствует выбранной модели движения, могут возникать большие ошибки в оценках сглаженных координат.

Для некоторых специфических приложений (обработка полей в сельском хозяйстве) широко используются приращения фазовых измерений для определения приращений координат за некоторый интервал времени даже в одиночном приемнике. Известно, что фазовые измерения являются неоднозначными и не могут быть использованы для решения навигационной задачи в одиночном приемнике напрямую, однако, в отсутствии срывов слежения за НКА в приращениях фазовых измерений эти неоднозначности можно исключить. После этого с использованием приращений фазовых измерений, вычисленных за некоторый промежуток времени, может быть решена навигационная задача и получены фазовые приращения координат навигационного приемника за это время. Метод фазовых приращений координат широко используется только в задачах, где необходима высокая точность местоопределенпя относительно начальной точки.

Таким образом, существующие методы при работе навигационного приемника в нештатных ситуациях и при случайной смене его режима работы не позволяют получить оценки координат потребителя с необходимой точностью и надежностью.

Освещены проблемы оценки направления движения объекта для задач сельского хозяйства и дорожного строительства по измерениям одиночного навигационного приемника с одной антенной при движении ТС на малых скоростях (1-3 км/ч).

Вторая глава посвящена разработке методов для повышения точности определения координат навигационного приемника и направления движения ТС. Для этого была поставлена и решена задача совместной фильтрации первичных оценок координат и фазовых приращений координат, а также задача адаптивной фильтрации направления (угла) движения ТС в азимутальной плоскости с использованием математического аппарата, опирающегося на марковскую теорию оценивания случайных процессов. Для совместной обработки первичных оценок координат и фазовых приращении координат в работе были записаны уравнения фильтра Калмана (ФК). Фазовые приращения координат навигационного приемника в работе определяются с помощью решения навигационной задачи по приращениям фазовых измерений с использованием метода наименьших квадратов (МНК). Оценки фазовых приращений координат:

V. с

дх' = = Ак, +

.К,. £

где:

Дг{, Аук, Дг{ - истинные приращения координат;

*' ьд, к > Сд, " ош"бки оценивания приращений координат (считаем их случайными и независимыми гауссовскими процессами).

Учитывая шумовые составляющие ошибок местоопределения и возможное наличие разрывов первого рода в первичных оценках координат, в работе были записаны уравнения модели поведения ошибок оценок координат в виде гауссовского марковского процесса с помощью формирующего фильтра.

= ЕУ*

л*.

где

^ = е~а/" - характеризует полосу формирующего фильтра и зависит от времени корреляции процесса;

Уск - величина ошибки оценки координаты, зависит от наличия или отсутствия разрыва первого рода в оценке координат в текущий момент временн и считается для всех координат одинаковой. пс, - независимые БГШ формирования;

Для определения оценки величины ошибки уск используется метод обнаружения разрыва первого рода в первичных оценках координат. В частности, простым и квазиоптимальным

методом является метод обнаружения разрывов первого рода по значению первой производной от

10

первичных оценок координат навигационного приемника. Если значение производной превосходит некоторый заданный порог, считается, что произошел разрыв функции. Вектор состояния имеет следующий вид:

X = [а% , V,£у,£г]г.

Далее в работе, согласно методу распределения информации, используется раздельная фильтрация первичных оценок координат и записаны уравнения ФК для одной координаты (например, координаты х). При этом для остальных координат уравнения ФК записываются аналогичным образом.

В таком случае, рассматриваемый вектор состояния примет вид: Х = [х,гх ]т.

Модель изменения координаты х приемника в динамике с учетом фазовых приращений координат будет иметь вид:

АС

Наблюдениями (измерениями) в данном случае считаются первичные оценки координат приемника, а уравнения наблюдения и состояния примут вид: Л =Н-Х*+<7,. '»у* >

■п.

где: Н =

- матрица перехода; 4 =

- матрица шумов формирования; Ф^ =

1 О

0 /л

матрица состояния;ау- СКО шумовых ошибок МНК; п к- независимые белые гауссовы шумы

(БГШ) наблюдения; - дисперсия оценки фазовых приращений координат.

Уравнения ФК для совместной обработки первичных оценок координат и фазовых приращений координат, записанного для координаты д: будут иметь следующий вид:

Х*+1 = Хы I * + К)Ы • \Ум - Н • 11- ] х;+1|,=Ф.х;+[дх;м,ог

Кы = Р1*щ-Нт-[Н-Ры,4.Нт+о;Г,> (2)

Фильтр Калмана, согласно теории фильтрации, позволяет получить оптимальную по критерию минимума среднего квадрата ошибки опенку сглаженных координат при условии некоррелированных во времени измерений, наличия в измерениях помех в виде БГШ. В

реальности в условиях наличия разрывов первого рода и коррелированных ошибок измерений ФК не обеспечивает оптимальную по критерию минимума среднего квадрата ошибки оценку наблюдаемого процесса.

Выражения (2), описывающие ФК достаточно трудоемки при реализации и с учетом некоторых допущений могут быть упрошены. Если предположить, что ошибки оценивания фазовых приращений координат с помощью МНК и ошибки первичных оценок координат, имеют постоянные статистические характеристики ошибок (СКО и математическое ожидание (МО)), можно не оценивать медленно меняющиеся ошибки координатных измерений. Это упрощает реализацию ФК, что обусловлено уменьшением вектора состояния - не оценивается величина ех ,. При этом фильтр для координаты х записывается в скалярном виде следующим образом:

ХкИ ~ | к + ак+1 ' — \ к ]

> + , (3)

ам = —;—:—;-г

где: а - коэффициент фильтра; а'. к - второй центральный момент сглаженной оценки.

Выражения (3) описывают ФК для координаты х. Точность результирующей оценки, обусловленная постоянным уменьшением коэффициента а, будет с каждым следующим моментом времени улучшаться, что эквивалентно сужению полосы фильтра, до значения, характеризуемого точностью фазовых приращений координат. Это позволяет уменьшать шумовые ошибки, но фильтр становится нестабильным и плохо реагирует на изменение наблюдаемой величины при не соответствии поведен][я реального процесса и поведения фазовых прирашений координат. Через некоторое время работы фильтр будет слабо реагировать на первичные оценки координат, поступающие на вход, а будет использовать экстраполированную оценку, чтобы оценить текущее значение координаты х. Для сохранения устойчивости фильтра и обеспечения высоких точностных характеристик навигационного решения, коэффициент фильтра в работе ограничен нижним порогом.

В работе проведен анализ нескольких вариантов совместных сглаживающих фильтров, в том числе основанных на использовашш ФК, для условий изменения режима работы навигационного приемника:

1. Сглаживание для любого режима работы навигационного приемника с помощью фильтра первого порядка астатизма с фикигрованным коэффициентом фильтра и подачей целеуказаний от фазовых прирашений координат. Блок-схема такого фильтра представлена на

рисунке 1. Рекуррентные уравнення фильтра для одной из координат, например для координаты х, записываются следующим образом:

=(!-«)• (х, + Ах^ ) + хш-сс, где: хм - первичная оценка координаты; Лг,4] - приращение координаты; а - коэффициент

фильтра.

Рисунок 1 - Блок — схема фильтра первого порядка с целеуказаниями.

2. Фильтр с целеуказаниями от фазовых приращений координат, аналогичный варианту 1, но с изменением коэффициента фильтра в зависимости от точности первичных оценок координат. Коэффициент фильтра подбирается для каждого режима местоопределения исходя из значений СКО оценок первичных координат.

3. Фильтр первого порядка астатизма с целеуказаниями от фазовых приращений координат с учетом изменения коэффициента фильтра для каждого режима. Также в фильтре находится нелинейный элемент, на который подается сигнал рассогласования, и переключатель, с помощью которого размыкается фильтр при условиях, когда происходит непреднамеренная смена режима позиционирования с более точного на более грубый. Блок-схема фильтра представлена на рисунке 2. Рекуррентные уравнения фильтра:

5 = А- - х''

І-V при 5 < -А 8 при —И < б < к ( і' при И < 6

где: її - значение порога, для каждого режима свое; V - значение, определяемое видом нелинейного элемента; Л - функция, характеризующая размыкание сглаживающего контура. Если режим работы навигационного приемника между к и к+1 моментами времени не изменился, либо изменился с более грубого на более точный, то Л= 1. Если же режим работы навигационного приемника сменился на более грубый, то Л =0 до появления более точного решения.

Рисунок 2 - Блок - схема нелинейного адаптивного фильтра с целеуказаниями.

В главе также предложен метод фильтрации первичной оценки направления движения объекта, целью которого является получение сглаженной оценки. Для этого был модифицирован ФК. Блок-схема алгоритма работы такого модифицированного ФК представлена на рисунке 3.

Рисунок 3 - Блок - схема алгоритма работы модифицированного ФК для фильтрации оценки

направления движения.

Введен критерий гладкости для оценки качества навигационного решения и численная характеристика его оценки. Критерий основан на оценке скорости изменения ошибки - чем медленнее меняется ошибка, тем решение более гладкое и является более подходящим для ряда задач. В качестве величины, характеризующей качество решения по критерию гладкости, предлагается использовать значение дисперсии первой производной по времени от ошибки

местоопределения. Первая производная по времени от ошибки местоопределения характеризует скорость изменения ошибки во времени и чем меньше ее дисперсия, тем медленней меняется ошибка.

В третьей главе выбрана имитационная среда и проведено имитационное моделирование для набора статистических данных, проверки работоспособности сглаживающих фильтров и выбора их параметров. Выполнен анализ конечного множества сглаживающих фильтров по заданным критериям (критериям точности и гладкости) и выбран один из них, который далее был проверен на реальных навигационных данных. Для этого были созданы модели изменения координат в условиях непреднамеренного переключения режимов работы навигационного приемника, получены первичные оценки координат, затем они были обработаны анализируемыми сглаживающими фильтрами и получены сглаженные оценки координат. При разработке имитационных моделей для получения навигационных решений в режимах абсолютной, кодовой дифференциальной и фазовой дифференциальной навигации было рассмотрено влияние различных некомпенсируемых или плохо компенсируемых ошибок местоопределения. При этом ошибки местоопределения были разделены на три класса:

- шумовые ошибки (шумовые ошибки измерений), которые были смоделированы с использованием датчика случайных чисел с нормальным распределением в виде БГШ;

- медленно меняющиеся ошибки местоопределения (многолучевость, ионосфера и т.д.), для моделирования которых был выбран гауссовскин марковский случайный процесс, для реализации был использован формирующий фильтр;

- разрывы первого рода, связанные с изменением рабочего созвездия НКА, эфемеридной информации и т.д.

С учетом наличия медленных ошибок и возможного возникновения разрывов первого рода модель ошибок примет вид:

(4)

где: а - коэффициент формирующего фильтра, характеризующий период колебаний медленных ошибок, для времени корреляции 1000 секунд, он равен 0,001; т - период поступления измерений; Я - величина, определяющая наличие разрыва первого рода, при наличии разрыва эта

величина равна Я = ег;, при отсутствии разрыва - Л = <т, ■ ^¡1-(е-"')2, (ст. - стационарное

значение СКО ошибки оценивания координат; п - отсчеты БГШ).

При работе в дифференциальных режимах местоопределения в модели рассматривается влияние шумовой ошибки и ошибок, порождаемых наличием переотраженных сигналов. При этом сделано предположение, что базовая станция находится в пределах нескольких километров и ионосферная ошибка при формировании разностных измерений вычитается как сильно

15

коррелированная ошибка. Также в моделях учитывается ошибка, порождаемая неточностью самого метода решения навигационной задачи. Например, в реальной аппаратуре для поддержания высокой производительности при решении нелинейных систем уравнешш с помошью линеаризации в окрестности априорной точки часто ограничиваются одной итерацией, что ведет к возникновению дополнительной ошибки оценивания координат. В модели данная ошибка задается в виде БГШ с заданной дисперсией.

Таким образом, оценка координат для имитадионного моделирования в режиме абсолютного местоопределения, кодового дифференциального и фазового дифференциального местоопределения на к-ый момент времени:

<.„.*= О",,

= ** + + ' "к,^ ' (5)

где: ая, <тпк - СКО ошибок методов оценивания координат; "1- '!t г*" отсчеты

БГШ.

В таблице 1 приведены СКО ошибок координат и полосы формирующего фильтра, выбранные при моделировании навигационных решений рассматриваемых режимов работы навигационного приемника. Был проведен анализ поведения ошибок, вносимых задержками в ионосферном слое и порождаемых переотраженными сигналам!. Исходя из этого в модели время корреляции медленной ошибки, порождаемой многолучевостью, задано равным 100 секунд, а медленной ошибки, порождаемой многолучевостью и ионосферой - 1000 секунд.

Таблица 1 Параметры для моделирования ошибок оценок координат в различных режимах.

Режим работы навигационного приемника Параметр

СКО ошибок оценивания, м СКО ошибок метода расчета, м Параметр формирующего фильтра а

Абсолютный режим <Х, = 1,2 <*« =0.1 0,001

Кодовый дифф. режим о\ = 0,6 = 0,05 0,01

Фазовый дифф. режим ст г = 0,01 аг1к= 0,001 0,01

На рисунках 4-6 представлены ошибки смоделированных координат в режимах

абсолютного местоопределения, кодового дифференциального и фазового дифференциального

позиционирования, соответственно.

Для создания имитационной модели приращений координат были рассмотрены шумовые

ошибки прирашений координат, обусловленные фазовыми шумами. Приращение остальных

ошибок настолько мало по сравнению с шумовой составляющей ошибки, что за

16

непродолжительный интервал времени не сказывается на приращениях координат, моделирования фазовых приращений координат был выбран Винеровский процесс.

О 1000 2000 .4000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Время, с

Рисунок 4 - Ошибки определения координат в абсолютном режиме.

1.5 ■ 1 ■

= 0 1000 2000 3000 4000 5000 6000 "ООО 8000 9000 10000

Время, с

Рисунок 5 - Ошибки определения координат в кодовом дифференциальном режиме.

I 0.04

-s- « 0.03

0 ± Z о

jf з 0 02 к 5 £■§■ 0.01 (- о

га О

g Ч о

а с. ^

1 S -0.01

у: о = § -0.02

J

1 і I 1 і ill і м

І І1 и k І il 1 і (і і і* М It н fill —і

1 1 н ш і ■ У її і іЛ 1 !# IU

1 і 'Vi \и А т» J і НІ1 т І ?! НІ

■'Г І 11 її 1 І : ! г ц IIFP ! W І і

ч 1 14 і Iі ■

I о 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

О Время, с

Рисунок 6 - Ошибки определения координат в фазовом дифференциальном режиме.

17

На рисунке 7 показан пример реализации ошибки определения фазовых приращений координат в зависимости от времени.

0.6

* р.5

§ 0.4

I 0.3

5 0.2

| 0.1 я

= 0 с.

Я -0-1

"°30 1000 2000 3000 4000 5000 6000 7000 8000 9000 10000

Время, с

Рисунок 7 - Ошибки фазовых приращений координат.

Для получения реализации координат в условиях случайной смены режимов работы

навигационного приемника был задан сценарий последовательной смены навигационных решений в разных режимах местоопределения. Было проведено 1000 экспериментов с моделированием реализаций первичных оценок координат и фазовых приращений координат, длительностью 10000 секунд. Далее по заданному сценарию имитировалась смена режимов работы навигационного приемника, была произведена обработка первичных оценок координат с помощью анализируемых сглаживающих фильтров, получена оценка сглаженных координат, проведен выбор методом анализа сглаживающего фильтра по критерию точности.

В таблицах 2 и 3 приведены средние по 1000 экспериментам значения ошибок оценок координат и значения первой производной от ошибки оценки координат, соответственно.

Таблица 2 Статистических характеристики ошибок оценки координат.

Статистические характеристики ошибок Виды обработки

Первичные оценки координат Фильтр с постоянной полосой Фильтр с переменной полосой Адаптивный нелинейный фильтр

СКО, м 1,706 0,778 0,693 0,436

МО, м 0,016 0,014 0,008 0,004

Таблица 3 Статистические характеристики первой производной от ошибок оценок координат.

Статистические характеристики ошибок Виды обработки

Первичные оценки координат Фильтр с постоянной полосой Фильтр с переменной полосой Адаптивный нелинейный фильтр

СКО, м 0,115 0,005 0.016 0,005

МО, м 3,3*10"" 2,2*10"" 2*10"" 3,9*10"'

< л

Лц*' -VI .»і"1 V

■ у \ №1

. М л Ы V* Й»Ч *

Ф* » к, " Л.ІІЇИ л А V IV >

>*|

1

ц/ *

V

На рисунках 8 и 9 показаны примеры реализации ошибок первичной оценки координат при случайной смене режима работы навигационного приемника и результаты ошибок сглаженных оценок для двух из 1000 смоделированных реализаций. По результатам имитационного моделирования, представленным в таблицах 2 - 3 и на рисунках 8-9 методом анализа был выбран адаптивный нелинейный фильтр для проведения натурных экспериментов.

0.5

І 0 і І"-0.5

ш т Сглаживание нелинейным аа зптиеным фильтром я * Сглаживание фильтром с постоянной полосой Сглаживание фильтром с переменной полосой Первичные оценки ко орді ДЕТ

"900

S000

S100

S290 S300

Бремя. с

400

S500

S60C

Рисунок 8 - Ошибки первичных и сглаженных оценок координат, эксперимент № 1.

с 5

1 Сглаживание нелинейным ад элитным фильтр ом Сглаживание фильтрам с постоянной полосой

---Сглаживание фильтром с перяленной полос мі

* Первичные оценки координат

2600 2S00 3000 3290 3400 3500 3S00 4000 4200 4400 460*0

Бремя, с

Рисунок 9 - Ошибки первичных и сглаженных оценок координат, эксперимент № 2.

Результаты проведенного имитационного моделирования показывают целесообразность применения сглаживающих фильтров для увеличения точности местоопределения при условии случайного переключения режимов работы навигационного приемника.

В четвертой главе приведены результаты натурного экспериментального исследования выбранного адаптивного нелинейного сглаживающего фильтра в сравнении с первичными оценками координат в условиях статического и кинематического положения приемника. Для этого

19

была разработана схема и методика проведения эксперимента. В статике в режиме реального времени на приемник №1, расположенный на крыше здания офиса компании Топкон Позишионинг Системе по интернету передавались дифференциальные поправки с приемника №2, расположенного на крыше одного из корпусов МАИ. Поправки передавались в формате Ю"СМ и позволяли работать приемнику №1 в кодовом и в фазовом дифференциальном режимах. Приемник №1 был подключен к компьютеру для подачи команд управления и записи навигационных измерений. Непроизвольная смена режимов работы навигационного приемника была произведена с помошью подачи специальных команд конфигурации приемнику №1. Опорные координаты антенн в статике известны с высокой точностью, достаточной для расчета ошибок местоопределения. Таким образом, был проведен статический эксперимент длительностью более 70000 секунд и по нему оценены статистические характеристики первичных и сглаженных с помошью выбранного фильтра оценок координат. Эксперименты в кинематике были поставлены схожим образом. На автомобиле был закреплен навигационный приемник, который с помошью специальных команд изменял режимы своей работы и записывать измерения во внутреннюю память. Автомобиль совершал множественные проезды по представленной на рисунке 10 траектории. В качестве опорной траектории выступали решения режима фазовой дифференциальной навигации, обеспечиваемого приемником, подключенным к той же антенне что и подвижный приемник. Базовая станция находилась в пределах единиц километров.

Постановка статических Постановка кинематических экспериментов

экспериментов

► /

\ /

Диф. 1 поправки

Подвижный приемник

Схема крепления приемников на автомобиле

Приемник №1

Приемник №2

Передача измерений

1 ........... ..... Л* ■ 1Т —Т^ з«*"

щщтвт щтя&тг ни«™ || - — МММ "1 ЧД

Рисунок 10 - Схема проведения и траектория движения для кинематических экспериментов.

Статистические характеристики ошибок местооиределения при проведении натурных экспериментов в статике и кинематике для первичных и сглаженных оценок координат представлены в таблицах 4 и 5, соответственно. На рисунках 11, 12 показаны ошибки местоопределения по координате X для одного из экспериментов в статике и кинематике соответственно.

Таблица 4 Значения ошибок местоопределения для статических экспериментов.

Статистические характеристики ошибок Первичные оценки координат Сглаженные оценки координат

X У г X У Ъ

МО, м -0,355 -0,176 -0,264 -0,077 -0.040 -0,197

СКО, м 0,815 0,541 1,525 0.252 0.184 0,631

Таблица 5 Значения ошибок местоопределения для кинематических экспериментов.

Статистические характеристики ошибок Первичные оценки координат Сглаженные оценки координат

X У г X У г

МО, м 0,738 0,3 0,711 0,033 0,015 0,1

СКО, м 1,120 0,455 1,170 0,100 0,060 0,1

Я ООО 51520 000 5- 500 53 ООО 55 500 54000 <4 500 5 5 000 55 500 Время, с

Рисунок 11 - Ошибка оценки координаты X для части статического эксперимента.

местоопределения.

Зоны действия режимов

местоопределения:

«А» - режим абсолютного

местоопределения;

«Б» - режим кодового

дифференциального

местоопределения;

«С» - режим фазового

дифференциального

-Первінная оцени координаты X

Зоны действия режимов

местоопределения:

«А» - режим

абсолютного

местоопределения;

«Б» - режим кодового

дифференциального

местоопределения;

«С» - режим фазового

дифференциального

местоопределения.

1500

моо

4000

4500

М00

Время, с

Рисунок 12 - Ошибка оценки координаты X для части кинематического эксперимента.

Результаты длительных натурных экспериментов (реализация более 70000 секунд) в статичном положении навигационного приемника показали увеличение точности местоопределения при использовании сглаживания по сравнению с первичными оценками координат по МО и СКО ошибки в среднем в 3 раза. Эти результаты хорошо согласуются с результатами имитационного моделирования. Результаты кинематических экспериментов по оценке точности местоопределения подтверждают работоспособность сглаживающего фильтра и его практическую применимость в условиях движения навигационного приемника. Для тестирования сглаживающего фильтра, определяющего направление движения объекта на малых скоростях и при остановках, была разработана следующая методика: были проведены эксперименты по движению в одном направлении со скоростью 1 км/ч в течение 10 минут с резкими остановками на 5 минут. Затем первичные оценки направления движения обрабатывались модифицированным ФК, и было получено сглаженное значение направления движения. Для задания такого сценария движения был использован имитатор спутниковых навигационных сигналов компании Spirent модели 7700. Помимо задания такого сценария с помощью данного имитатора было получено эталонное значение направления движения. На рисунке 13 представлены значения ошибок определения направления движения для первичных и сглаженных оценок. Статистические характеристики ошибок оценки направления движения представлены в таблице 6.

Первичные оценки направления движения Сглаженные оценки направления движения

800 1000 1200 1400 1бОО 1ЭОО =з

° Время, с

Рисунок 13 - Значения ошибок при определении направления движения объекта.

Таблица 6 Ошибки определения направления движения для первичных и сглаженных оценок.

Режимы Статистические характеристики

МО, град. СКО, град.

Первичные оценки 0,25 6,91

Сглаженные оценки 0,11 0,62

Из результатов экспериментов, представленных в таблице б и на рисунке 14 видно, что при движении со скоростью 1 км/ч СКО ошибки сглаженной оценки направления движения в 10 раз меньше по сравнению с первичной оценкой. Также при остановках предлагаемый метод позволяет зафиксировать значение направления движения. Значение модуля скорости для фиксации угла направления движения в работе было выбрано 0,07 м/с.

Основные результаты и выводы

1. Проведен анализ существующих методов повышения точности местоопределения с использованием сглаживающих фильтров, совместно обрабатывающих кодовые и фазовые измерения, для условий работы в нештатных ситуациях, случайной смене режима работы приемника сигналов ГНСС или при плохих условиях приема спутниковых сигналов.

2. Предложен критерий гладкости для оценки качества навигационных определений при решении задач, требующих от приемника сигналов ГНСС, в первую очередь, высокую точность относительного местоопределения и плавное (медленное) изменение ошибки местоопределения. Данный критерий оценивает скорость изменения ошибок оценок координат потребителя и характеризуется величиной дисперсии первой производной по времени от ошибки местоопределения.

3. Для уменьшения ошибок определения координат потребителя без использования дополнительных измерительных модулей в работе записаны уравнения модифицированного фильтра Калмана для совместной фильтрации первичных оценок координат и фазовых приращений координат. Обработка первичных оценок координат в таком фильтре позволит уменьшить шумовую составляющую ошибки местоопределения и ликвидировать разрывы первого рода в навигационном решении при произвольной динамике движения объекта.

4. Для определения направления движения объекта при малых скоростях (1-3 км/ч) с помощью ГНСС приемника в работе предложено использовать модифицированный ФК с учетом особенностей обработки циклической величины, которой является азимутальный угол. Для корректного определения аргумента вектора скорости при остановках объекта, в предлагаемом алгоритме разработан блок, определяющий остановку объекта с использованием значения модуля вектора скорости.

5. Для проверки работоспособности алгоритмов, подбора их параметров, набора статистики было проведено имитационное моделирование работы приемника навигационных спутниковых сигналов в условиях случайного переключения режимов работы. Для этого были разработаны модели ошибок определения координат для разных режимов работы навигационного приемника. На основаншг анализа поведения медленных ошибок координат, порождаемых задержками в ионосферном слое и наличием переотраженных сигналов, выбраны случайные процессы, описывающие поведение ошибок в имитационной модели.

23

6. Была разработана методика и проведено экспериментальное тестирование предлагаемых алгоритмов для повышения точности местоопределения и направления движения объекта. Применение сглаживающих фильтров позволило повысить точность оценки координат потребителя в среднем в 3 раза по СКО ошибки. Данные результаты хорошо согласуются с результатами имитационного моделирования.

7. Разработанные алгоритмы реализованы в навигационных приемниках, выпускаемых компанией Топкон Позишионинг Системе, и показали свою работоспособность и эффективность.

Список публикаций по теме диссертации

1. Милютин Д.С., Никитин Д.П., Вейцель A.B. Повышение точности местоположения с использованием новых сигналов спутниковых навигационных систем. // Вестник Московского Авиационного института, 2009, т. 16, № 6.

2. Никитин Д.П. Экспериментальное исследование режима локального позиционирования при автономной работе навигационного приемника. Научно-практическая конференция студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011». 26-30 апреля 2011 года. Москва. Сборник тезисов докладов. - М.: МЭЙЛЕР, 2011, стр. 61-62.

3. Никитин Д.П. Исследование характеристик режимов работы навигационного приемника с помощью дистанционного доступа. 16-я международная научная конференция «Системный анализ, управление и навигация». 3-10 июля 2011 года. Крым - Евпатория. Тезисы докладов. - М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011, стр. 111-112.

4. Никитин Д.П, Вейцель A.B. Экспериментальное исследование характеристик локального позиционирования в автономном режиме работы навигационного приемника. // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011, № 8, стр. 56-63.

5. Никитин Д.П. Исследование методов оценки ориентации вектора скорости при движении навигационного приемника. // Вестник Московского Авиационного института, 2012, т. 19, №2, стр. 166-172.

6. Никитин Д.П. Совместное использование фазовых и кодовых измерений для дифференциального режима позиционирования. // Телекоммуникации, 2012, № 6, стр. 8-33.

7. Veitsei V.V., Nikitin D.P., Plenkin A.V., Veitsei A.V., Zhodzishsky M.I., Prasolov V.A. Method and Apparatus of GNSS receiver Heading determination. United States Patent Application, № 13383807, 12.1.2012.

8. Zhodzishsky M.I., Veitsei V.A., Veitsei A.V., Nikitin D.P., Veitsei V.V. Improving the Positioning Quality of Global Navigation Satellite System Receivers Operating in the Differential Navigation Mode. United States Patent Application, № 138380245, 17.2.2012.

Подписано в печать 18.0б.2012г.

Усл.п.л. - 1.0 Заказ №09294 Тираж: ЮОэкз.

Кошшентр «ЧЕРТЕЖ.ру» ИНН 7701723201 107023, Москва, ул.Б.Семеновская 11, стр.12 (495) 542-7389 www.cheriez.ru

Введение.

Глава 1 Анализ существующих методов повышения точности пространственных параметров, полученных при навигационных измерениях.

1.1 Глобальные навигационные спутниковые системы, сравнительный анализ основных характеристик.

1.1.1 Космический сегмент.

1.1.2 Наземный сегмент.

1.1.3 Потребительский сегмент.

1.2 Режимы работы приемника при использовании глобальных навигационных спутниковых систем.

1.3 Анализ существующих методов для повышения точности определения координат.

1.3.1 Факторы, влияющие на точность местоопределения.

1.3.2 Обзор применяемых методов для сглаживания первичных оценок координат.

1.3.3 Метод определения фазовых приращений координат.

1.3.4 Определение направления движения объекта.

Выводы по главе 1.

Глава 2 Исследование и разработка методов для повышения точности местоопределения.

2.1 Задача обработки первичных оценок координат.

2.1.1 Применение теории оценивания случайных процессов для обработки навигационных измерений.

2.1.2 Использование фильтра Калмана для совместной обработки навигационных измерений.

2.1.3 Выбор критериев качества для навигационных решений.

2.1.4 Фильтр Калмана для равноточных навигационных наблюдений.

2.1.5 Сглаживающие фильтры.

2.2 Расчет приращений позиции по фазовым измерениям.

2.2.1 Математическая модель фазовых измерений.

2.2.2 Формирование и решение системы нелинейных уравнений.

2.3 Оценка направления движения объекта.

2.3.1 Определение направления движения по результатам навигационных измерений.

2.3.2 Фильтрация первичной оценки направления движения объекта.

2.3.3 Модификация ФК для фильтрации циклической величины.

2.3.4 Метод фильтрации направления движения объекта.

Выводы по главе 2.

Глава 3 Имитационное моделирование сглаживающего контура.

3.1 Задача имитационного моделирования навигационных измерений и выбор имитационной среды.

3.2 Моделирование первичных оценок координат навигационного приемника.

3.2.1 Анализ измерений навигационного приемника для выбора модели ошибок.

3.2.2 Метод формирующего фильтра для моделирования первичных оценок координат.

3.3 Моделирование фазовых приращений координат навигационного приемника.

3.3.1 Анализ ошибок приращений фазовых измерений.

3.3.2 Применение Винеровского процесса для моделирования ошибок приращений координат.

3.4 Имитационное моделирование с использованием алгоритмов обработки первичных измерений.

3.5 Анализ результатов имитационного моделирования.

Выводы по главе 3.

Глава 4 Экспериментальное исследование сглаживающих фильтров.

4.1 Методика проведения натурных экспериментов.

4.2 Постановка экспериментов для оценки точности местоопределения.

4.2.1 Статические эксперименты.

4.2.2 Кинематические эксперименты.

4.3 Результаты экспериментов по оценке ошибок местоопределения.

4.3.1 Результаты статических экспериментов.

4.3.2 Результаты кинематических экспериментов.

4.4. Постановка и результаты экспериментального исследования работы модифицированного ФК для фильтрации направления движения объекта.

Выводы по Главе 4.

Одним из важнейших направлений политики государства в области высоких технологий является координатно-временное и навигационное обеспечение деятельности в сферах экономики, безопасности личности, общества и обороны страны. Центральное место в решении этих задач в России отводится отечественной глобальной навигационной спутниковой системе ГЛОНАСС [1]. Высокая эффективность системы может быть достигнута только за счет массового внедрения спутниковых навигационных технологий во все сферы деятельности, как государства, так и многочисленных групп частных пользователей.

В настоящее время эксплуатируются или готовятся к развертыванию следующие спутниковые навигационные системы: ГЛОНАСС, (Россия); NAVSTAR GPS (далее - GPS), (США); Galileo, (Евросоюз); Байдоу (COMPASS), (Китай); IRNSS, (Индия); QZSS (Япония). При этом российская, американская, европейская и китайская системы являются глобальными навигационными спутниковыми системами (ГНСС), а японская и индийская системы на начальном этапе развертывания предназначаются для использования только в своих странах и являются просто спутниковыми навигационными системами (СНС).

В последние годы ГНСС становятся глобальным средством мировой инфраструктуры, всё больше внедряются во многие отрасли экономики. Уже сейчас в мире значительная часть транспорта, энергетики, связи, транспортировка нефти и газа, разведка месторождений и многие другие отрасли экономики, вплоть до сельского хозяйства, используют ГНСС для определения координат, направления и скорости движения транспортных средств, синхронизации часов, организации контроля и управления. Спектр задач и приложений ГНСС в настоящее время крайне широк: начиная от классических задач геодезии, картографии, морской навигации, и заканчивая такими отраслями, как строительство, сельское хозяйство, автоматизированные системы управления робототехникой и т.д. При этом имеется изобилие и разнообразие оборудования и программного обеспечения для навигационных определений. Для получения навигационных определений разной точности, приемник настраивают для работы в заданном режиме местоопределения (работы). Режим определения координат одиночного приемника по собственным измерениям псевдодальности в литературе [1, 4, 5] называют режимом абсолютной (автономной) навигации. Режим определения координат подвижного приемника относительно координат базового приемника по измерениям псевдодальности называют режимом кодовой дифференциальной навигации, а по фазовым измерениям режимом фазовой дифференциальной навигации [1,4, 5].

Актуальность темы

С расширением сферы применения ГНСС, ужесточаются и требования к точности, устойчивости, надежности, накладываемые на пространственно-временные параметры, оцениваемые навигационным приемником.

Для решения конкретных задач пользователю необходимо выбрать режим работы навигационного приемника, обеспечивающий требуемые характеристики точности и надежности. Однако, в реальных условиях навигационная аппаратура потребителя (НАП) часто не способна на все время выполнения целевой задачи функционировать в дифференциальном режиме местоопределения. Это обусловлено влиянием внешней среды распространения сигнала, пропаданием сигнала от базовой станции, затенением большого количества навигационных космических аппаратов (НКА), аномальными ошибками и другими факторами. В таких условиях навигационный приемник может переключаться, например, из режима фазовой дифференциальной навигации (ДН) в абсолютный режим или в режим кодовой ДН, что приводит к получению навигационного решения с более низкими точностными характеристиками. Далее в работе режим фазовой ДН будем называть высокоточным режимом местоопределения, а режим абсолютной навигации — грубым режимом местоопределеиия. В свою очередь оценки координат, полученные при решении навигационной задачи в любом режиме местоопределеиия, до введения дополнительной обработки будем называть первичными оценками координат.

Переключение режима работы навигационного приемника наряду с изменением рабочего созвездия НКА или с возникновением аномальных измерений неразрывно связано с резким изменением точности оценок координат приемника, что недопустимо для ряда приложений. В таких приложениях как автоматическое управление сельскохозяйственной и строительной техникой резкое случайное изменение режима местоопределения может привести к выходу из строя управляемого механизма. Возникновение таких ситуаций, как правило, не позволяет продолжать решение целевой задачи пользователя даже при участии оператора в управлении автоматизированным транспортным средством. Внезапное пропадание высокоточного решения наряду с появлением аномальных ошибок или с резким ухудшением условий внешней среды является нештатной ситуацией, преодоление которой является одной из актуальных задач повышения точности определяемых пространственных параметров.

В процессе решения широкого круга задач автоматического управления сельскохозяйственными машинами, а также управления системами орошения и удобрения, важным оцениваемым параметром является направление движения сельскохозяйственного транспортного средства в азимутальной плоскости. В таких системах направление движения оценивается с использованием измерений вектора скорости одиночного навигационного приемника с одной антенной. Метод определения направления движения транспортного средства (ТС) с использованием проекций вектора скорости навигационного приемника в ряде случаев, например, при малых скоростях движения или при резком торможении и остановке ТС, обеспечивает недостаточную точность. Это следует из результатов исследования статистики определения аргумента вектора, описывающего сумму гармонического сигнала с гауссовым шумом. При уменьшении амплитуды вектора становится практически невозможно оценивать аргумент данного вектора. В то же время, для автоматического управления движущимися ТС, необходимо знание данного параметра. Поэтому задача определения направления движения ТС с заданной точностью при решении вышеуказанных задач является актуальной.

Точность определяемых навигационными приемниками пространственных параметров, зависит как от режима его работы, так и от метода обработки измерений. Эта зависимость проявляется, когда происходит изменение режима работы навигационного приемника. Появление высокоточного режима работы повысит точность местоопределения, но резкое изменение оценки позиции может вывести управляющий техническим средством механизм из строя. Для предотвращения такой ситуации применяются сглаживающие алгоритмы, что уменьшает среднюю точность. Возникает противоречие требований к точности навигационного решения и требований к отсутствию резких выбросов в решении, которое приводит к задаче поиска навигационного решения по нескольким критериям (критерию точности и критерию гладкости).

Разработка количественной меры для оценки навигационного решения по критерию гладкости, которую можно было бы наряду с традиционными мерами точности использовать для выбора наиболее подходящего алгоритма обработки и режима работы, является актуальной задачей.

В целом, решение вышеперечисленных задач является важным направлением исследований, так как оно позволит повысить точность определения пространственных параметров при возникновении нештатных ситуаций (пропадание высокоточного и появление грубого решения), возникающих в процессе решения навигационных задач для широкого круга приложений ГНСС.

Научная проблема

На точность определяемых навигационным приемником пространственных параметров (собственных координат, составляющих вектора скорости и т.д.) большое влияние оказывают условия внешней среды. При временном ухудшении этих условий принимаются специальные меры, позволяющие продолжать определение координат для решения целевой задачи, хотя и пожертвовав некоторой потерей точности. С этой целью изменяется режим работы навигационного приемника или адаптируются параметры обработки. Такие меры повышают надежность обработки навигационных измерений. Обработка навигационных измерений в хороших условиях описана в теории, имеются рекомендации для синтеза алгоритмов и проектирования систем при некоторых допущениях. Решения, полезные в нештатных ситуациях мало исследованы и практически не затронуты общей теорией оптимизации. Методы реализации таких решений в большинстве случаев основаны на интуитивных аналогиях и допущениях. Теоретические описания даже для типичных случаев мало разработаны, рекомендации для проектирования часто отсутствуют.

В работе исследуется функционирование приемника сигналов ГНСС в нештатных ситуациях, и разрабатываются обоснованные рекомендации для проектирования навигационных приемников повышенной надежности.

Цель диссертационной работы

Целью диссертационной работы является разработка и исследование методов обработки навигационных измерений (НИ), обеспечивающих повышение точности пространственных параметров, определяемых навигационным приемником, при работе в сложных условиях (затенение большого количества НКА, возмущения в атмосферном слое, возникновение множественных отраженных сигналов) или при возникновении нештатных ситуаций (пропадание сигнала от базовой станции, случайная смена режима работы навигационного приемника, сильные внешние радиопомехи и т.д.). Исходя из цели работы, основными задачами исследований являются:

- анализ существующих методов обработки оценок координат навигационного приемника, полученных при навигационных измерениях, направленных на повышение точности этих оценок (например, применение сглаживающих алгоритмов);

- исследование методов обработки НИ, обеспечивающих решение целевой задачи при пропадании на коротком интервале времени навигационных определений, полученных с помощью высокоточного режима работы приемника;

- разработка метода, позволяющего продолжать оценку направления движения с заданной точностью при уменьшении значения модуля скорости поступательного движения в одиночном навигационном приемнике с одной антенной;

- проведение с помощью имитационного моделирования и натурных экспериментов сравнительного анализа методов сглаживания оценок координат навигационного приемника по точностному критерию и критерию гладкости при работе навигационного приемника в условиях случайной смены режимов местоопределения.

Новизна работы заключается в следующем:

- проведено исследование существующих алгоритмов и методов сглаживания оценок координат навигационного приемника при возникновении нештатных ситуаций и случайной смене режимов работы навигационного приемника в процессе решения навигационной задачи;

- предложен метод обработки измерений, предусматривающий адаптацию сглаживающего фильтра в угломерном канале так, чтобы уменьшение модуля скорости поступательного движения в горизонтальной плоскости при движении объекта не приводило к срыву угловых измерений;

- показано, что мерой гладкости могут служить статистические оценки первой производной по времени от ошибки координатных измерений;

- разработана модель ошибок координат навигационного приемника в режимах абсолютной и дифференциальной навигации с учетом возможной случайной смены режимов работы навигационного приемника, которая позволяет реализовать программы для имитационного моделирования и обосновать методику экспериментов для проверки эффективности предложенных методов.

Положения, выносимые на защиту

1. Применение модифицированного фильтра Калмана при поступлении на него для совместной обработки первичных оценок координат и фазовых приращений координат, имеющих разную точность, позволяет обеспечить повышение точности оценок координат при случайном изменении режима работы навигационного приемника в условиях произвольной динамики движения.

2. Метод адаптации параметров сглаживающего фильтра в канале угла для определения направления движения объекта, включающий сужение полосы в зависимости от измеренного модуля вектора скорости и расширение полосы при обнаружении маневра по углу, позволяет определять направление движения в горизонтальной плоскости при условии, что ошибка измерения (СКО) не превысит величины 0.6 градусов.

3. Модель ошибок координат навигационного приемника, которая учитывает возможность смены режимов местоопределения, действие собственных шумов приемника, отраженных сигналов, остаточных ошибок ионосферы и изменение рабочего созвездия НКА, позволяет провести имитационное моделирование и выбрать метод обработки первичных оценок координат для проведения натурных экспериментов.

4. Методика эксперимента, основанная на оценке фактических ошибок местоопределения путем сравнения показаний исследуемого приемника с контрольным приемником в фазовом дифференциальном режиме и ее реализация при статических и кинематических экспериментах в условиях случайной смены режимов работы приемника, позволяет провести натурные эксперименты и подтверждает возможность повышения точности при использовании сглаженных оценок координат по сравнению с первичными оценками в 3 раза по СКО ошибки.

Практическая значимость работы

Предложенные и рассмотренные в работе методы повышения точности и надежности пространственных параметров, определяемых навигационным приемником, реализованы в программном обеспечении и внедрены в навигационную аппаратуру потребителя, выпускаемую компанией Топкон Позишионинг Системе. Предложенный критерий гладкости для оценки качества навигационных решений используется в задачах сельского хозяйства.

Апробация работы

Результаты работы представлены в 8 печатных работах, в том числе в 4 статьях в журналах, рекомендованных Высшей аттестационной комиссией РФ для опубликования результатов кандидатских и докторских диссертаций и доложены автором на двух конференциях, в том числе одной международной.

Список публикаций по теме диссертации

1. Милютин Д.С., Никитин Д.П., Вейцель A.B. Повышение точности местоположения с использованием новых сигналов спутниковых навигационных систем. // Вестник Московского Авиационного института, 2009, т. 16, №6.

2. Никитин Д.П. Экспериментальное исследование режима локального позиционирования при автономной работе навигационного приемника. Научно-практическая конференция студентов и молодых ученых МАИ «Инновации в авиации и космонавтике - 2011». 26-30 апреля 2011 года. Москва. Сборник тезисов докладов. - М.: МЭЙЛЕР, 2011, стр. 61-62.

3. Никитин Д.П. Исследование характеристик режимов работы навигационного приемника с помощью дистанционного доступа. 16-я международная научная конференция «Системный анализ, управление и навигация». 3-10 июля 2011 года. Крым - Евпатория. Тезисы докладов. -М.: Изд-во МАИ-ПРИНТ, 2011. стр. 111-112.

4. Никитин Д.П, Вейцель А.В. Экспериментальное исследование характеристик локального позиционирования в автономном режиме работы навигационного приемника. // Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011, № 8, стр. 56-63.

5. Никитин Д.П. Исследование методов оценки ориентации вектора скорости при движении навигационного приемника. // Вестник Московского Авиационного института, 2012, т. 19, № 2, стр. 166-172.

6. Никитин Д.П. Совместное использование фазовых и кодовых измерений для дифференциального режима позиционирования. // Телекоммуникации. 2012, № 6, стр. 8-33.

7. Veitsel V.V., Nikitin D.P., Plenkin A.V., Veitsel A.V., Zhodzishsky M.I., Prasolov V.A. Method and Apparatus of GNSS receiver Heading determination.; United States Patent. Patent pending. Application number 13383807 1/12/2012.

8. Zhodzishsky M.I., Veitsel V.A., Veitsel A.V., Nikitin D.P., Veitsel V.V. Improving the Positioning Quality of Global Navigation Satellite System Receivers Operating in the Differential Navigation Mode. United States Patent. Patent pending. Application number 13838.0245 2/17/2012.

Структура и объем работы

Диссертационная работа состоит из введения, четырех глав, заключения,

Выводы по Главе 4

Проведенные натурные эксперименты по оценке статистических характеристик первичных и сглаженных оценок координат, а также направления движения объекта, позволяют сделать следующие выводы:

1. Была разработана методика проведения экспериментов и проведены натурные эксперименты по оценке ошибок определения координат и направления движения объекта. Проведено сравнение результатов имитационного моделирования и натурных экспериментов.

2. Результаты длительных натурных экспериментов (реализация более 70000 секунд) в условиях непреднамеренной смены режимов местоопределения при статичном положении навигационного приемника показали увеличение точности определения сглаженных координат по сравнению с первичными оценками координат по СКО ошибки в среднем в 3 раза. Эти результаты хорошо согласуются с результатами имитационного моделирования.

3. Результаты кинематических экспериментов по оценке точности местоопределения подтверждают работоспособность сглаживающего фильтра и его практическую применимость в условиях движения приемника сигналов ГНСС.

4. Сглаживающий фильтр обеспечивает также улучшение навигационного решения по критерию гладкости, это выражается в уменьшении шумовой ошибки и ликвидации разрывов первого рода.

5. Модифицированный ФК для обработки первичных оценок направления движения объекта на малых скоростях позволяет обеспечивать необходимую точность определения направления движения.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В последнее время ужесточаются требования к точности и надежности навигационных параметров, рассчитываемых ГНСС приемником. Однако для многих сфер применения навигационной аппаратуры является экономически не выгодным использование дополнительных аппаратных измерительных модулей (например, инерциальных систем) или переход на более современную и дорогую навигационную аппаратуру. В связи с этим актуальна модернизация программного обеспечения навигационного приемника для достижения более высокой точности местоопределения.

В первой главе на основе рассмотрения приложений ГНСС приемников, где невозможна или крайне не желательна модернизация аппаратной части, и анализа существующих источников ошибок и методов борьбы с ними при работе в сложных условиях и при возникновении нештатных ситуаций поставлены задачи, решение которых позволит повысить эффективность работы навигационной аппаратуры. Поставлена задача, целью которой является поиск нового критерия оценки качества навигационных решений для определенного круга приложений.

Для решения поставленных задач в главе 2 записаны, опираясь на марковскую теорию оценивания случайных процессов и статистическую теорию, выражения для обработки первичных оценок навигационных параметров с целью улучшения их точности. Сделаны выводы о необходимости проверки теоретических выкладок и подбора параметров рассматриваемых алгоритмов на экспериментальных данных. Для оценки качества навигационных решений наряду с критерием точности предложен критерий гладкости и численные величины, характеризующие навигационное решение по данному критерию.

Далее в главе 3, опираясь на характер и поведение остаточных ошибок местоопределения, были составлены модели первичных оценок координат, проведено имитационное моделирование и приведены его результаты с целью выбора параметров алгоритмов. Оценены точностные характеристики и выигрыш по точности местоопределения, получаемый при обработке первичных оценок координат рассматриваемыми сглаживающими фильтрами. В результате проведенного анализа среди рассматриваемых алгоритмов, выбран один сглаживающий фильтр для проведения натурных экспериментов.

В главе 4 разработана методика проведения экспериментов, позволяющая проверить работу сглаживающего фильтра при возникновении нештатных ситуаций в реальных условиях. Данные имитационного моделирования хорошо согласуются с результатами реальных экспериментов. Это подтверждает, что модели случайных процессов для имитационного моделирования и параметры алгоритмов сглаживания выбраны правильно. То есть результаты натурных экспериментов по проверке улучшения качества навигационных параметров подтверждают результаты имитационного моделирования, основанного на теоретических выкладках, что показывает правильность рассуждений, проведенных в рамках решения поставленных задач.

Таким образом, в работе поставленные задачи выполнены в полном объеме.

Оформление работы выполнено с учетом требований государственного стандарта [64].

Реализация результатов.

1. Разработан, оттестирован и реализован в приемниках компании Топкон Позишионинг Системе алгоритм сглаживания первичных оценок координат с параметрами, полученными в ходе выполнения данной работы, для функционирования в условиях непреднамеренного переключения режимов местоопределения.

2. Разработан, оттестирован и реализован в приемниках компании Топкон Позишионинг Системе алгоритм модифицированного ФК для увеличения точности определения направления движения объекта на малых скоростях.

Параметры данного алгоритма соответствуют параметрам, предложенным в данной работе.

3. Введенный критерий гладкости используется при анализе качества навигационных решений, обеспечиваемых приемниками компании Топкон Позишионинг Системе.

1. Федеральная Целевая Программа «Глобальная навигационная спутниковая система».

2. Урличич Ю.М., Субботин В, Ступак Г., Дворкин В., Поваляев А., Карутин С., Российские космические системы. Роскосмос. http ://www.roscosmos .ru/main.php?id=2&nid= 16445.

3. Носенко Ю.И. Качество работы системы ГЛОНАСС определяет её конкурентоспособность. Аэрокосмический курьер №6(54), 2007.

4. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования./Под редакцией Перова А.И., Харисова В.Н. Издание 4-е, переработанное и дополненное -Москва: Радиотехника, 2010.

5. Understanding GPS: principles and applications / Elliot D.Kaplan. Published by the Artech House, Inc. 685 Canton Street, Norwood, MA 02062, 1996

6. Navstar GPS Space Segment/Navigation User Interfaces, IS-GPS-200D, 7 March 2006.

7. Интерфейсный контрольный документ «ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА ГЛОНАСС» ред.5.1, Москва 2008.

8. Навигационные и спутниковые системы GPS и ГЛОНАСС. http://www.sky-max.ru/texnologii/yi-newsflash-30 ссылка активна на 14.05.2012.10. http://ru.wikipedia.org/wiki/GPS ссылка активна на 14.05.2012.

9. Свод правил СП 11-104-97, «Инженерно-геодезические изыскания для строительства», Часть I, Дата введения 1 января 1998 г.

10. ГОСТ Р 53608-2009 Глобальная навигационная спутниковая система. Методы и технологии выполнения геодезических и землеустроительныхработ. Разрешение неоднозначности фазовых измерений псевдодальности. Основные положения.

11. Wang Xinlong, JiJiaxing, Li Yafeng "The applicability analysis of troposphere delay error model in GPS positioning", Aircraft Engineering and Aerospace Technology(2009), Vol. 81 Iss: 5, pp.445 -451.

12. Милютин Д.С., Никитин Д.П., Вейцель A.B. «Повышение точности местоположения с использованием новых сигналов спутниковых навигационных систем». М.: Вестник Московского Авиационного института, 2009, т. 16, № 6.

13. Поваляев А.А. Спутниковые радионавигационные системы: время, показания часов, формирование измерений и определение относительных координат. М.: Радиотехника, 2008 - 328 е., с ил.

14. Жодзишский М.И., Мазепа Р.Б., Овсянников Е.П. и др. Цифровые радиоприёмные системы: Справочник // под ред. М.И. Жодзишского. М.: Радио и связь, 1990. - 208 с.

15. Бакулев П.А. Радиолокационные системы. М. :Радиотехника, 2004 - 320 е., с ил.

16. Method and apparatus for determining smoothed code coordinates of a mobile rover. Zhodzishsky; Mark I., Veitsel; Victor A., Zinoviev; Alexey. United States Patent 7,439,908 В1 10/2008.

17. Zhodzishsky M.I., Veitsel V.A., Zinoviev A. Position Determination using carrier phase measurements of satellite signals, Patent US 2007/0052583 Al, 2007.

18. Никитин Д.П, Вейцель А.В. Экспериментальное исследование характеристик локального позиционирования в автономном режиме работы навигационного приемника. //Информационно-измерительные и управляющие системы. 2011, № 8.

19. Бронштейн И.Н., Семендяев К. А. Справочник по математике. Для инженеров и учащихся втузов. Издательство "Наука", Москва, 1981

20. Зорич В.А. Математический анализ, часть I — М.: Физматлит, 1984. — 544 с.

21. Wiener N. Extrapolation, interpolation and smoothing of stationary time series. -New York: John Wiley, 1949 162 p.

22. Kalman R.E. A new approach to linear filtering and prediction problems // Trans. ASME, J. Basic Engineering 1960. Vol. 82D, March. - P. 34 - 45.

23. Kalman R.E., Bucy R.S. New results in linear filtering and prediction theory // Trans. ASME, J. Basic Engineering 1961. Vol. 83D, March. - P. 95 - 108.

24. Ярлыков M.C, Миронов M.A. Марковская теория оценивания случайных процессов» М.: Радио и связь, 1993 - 464 с.

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

26. Вальд А. Статистические решающие функции // Позиционные игры: Пер. с англ. / Под ред. Воробьева Н.И., Врублевской И.Н. М.: Наука, 1967 - 222 с.

27. Кузьмин С.З. Цифровая обработка радиолокационной информации, М., «Сов. Радио», 1967.

28. Кузьмин С.З. Основы проектирования систем цифровой обработки радиолокационной информации, М., «Радио и связь», 1986.

29. Никитин Д.П. Совместное использование фазовых и кодовых измерений для дифференциального режима позиционирования. // Телекоммуникации. 2012, № 6, стр. 8-33.

30. Березин JI.B., Вейцель В.А. «Теория и проектирование радиосистем», М., «Сов.Радио», 1977.

31. Veitsel V.V., Nikitin D.P., Plenkin A.V., Veitsel A.V., Zhodzishsky M.I., Prasolov V.A. Method and Apparatus of GNSS receiver Heading determination.; United States Patent. Patent pending. Application number 13383807 1/12/2012.

32. Шеннон Р. Имитационное моделирование систем искусство и наука: Пер. с англ. / Под ред. Е. К. Масловского. - М.: «МИР», 1978 - 421 с.

33. Васильев К.К., Служивый М.Н. Математическое моделирование систем связи: учебное пособие Ульяновск: УлГТУ, 2008. - 170 с.48. http://ecocyb.narod.ru/513/immod/immss.htm ссылка активна на 14.12.2011.

34. Milyutin D., Veitsel A., Vorobiev М., Zhodzishsky М. Impact of Pseudorandom Noise Codes on Multipath Mitigation. ION-2005.

35. Zhdanov A., Veitsel V., Zhodzishsky M., Ashjaee J. Multipath error reduction in signal processing. Proc. of ION GPS-99, Nashville, Tennessee.

36. Veitsel V., Zhdanov A., Zhodzishsky M. The mitigation of multipath errors bystrobe correlators in GPS/GLONASS receivers. GPS solutions, Vol.2, No.2, 1998, p.38-45.

37. Бакалов В.П. Цифровое моделирование случайных процессов. М: Сайнс-пресс, 2002. - 88 с.

38. Шалыгин А.С. Прикладные методы статистического моделирования / А. С. Шалыгин, Ю.И. Палагин. JL: Машиностроение, 1986. - 320 с.

39. Васильев К.К. Методы обработки сигналов: учебное пособие. Ульяновск: УлГТУ, 2001.-78 с.

40. Simsky A. Standalone Real-time Navigation Algorithm for Single-frequency Ionosphere-free Positioning Based on Dynamic Ambiguities (DARTS-SF). ION GNSS 2006, Fort Worth, TX, p 301-308.

41. Брюнелли Г.Е., Намгаладзе А.А. Физика Ионосферы. M.: Наука, 1988. -528с.

42. Булинский А.В., Ширяев А.Н. Теория случайных процессов. — М.: ФИЗМАТЛИТ, 2005. 408 с.

43. Иглин С.П. Теория вероятностей и математическая статистика на базе MATLAB. -Харьков, Украина: НТУ "ХПИ", 2006 612 с.

44. Иглин С.П. Математические расчеты на базе Matlab. -"BHV-Санкт-Петербург", 2005г 640 стр.

45. Мартынов Н.Н. Matlab 7. Элементарное введение. М: "Кудиц-Образ", 2005г 416 стр. EAN: 9785957900481.

46. SimGEN Software User Manual, Spirent Communications (SW) Ltd 2002-2006.

47. RTCM 2.3: RTCM, RTCM 10402.3 RTCM Recommended Standards for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Service, Version 2.3 , 2001.

48. RTCM 3.1: RTCM, RTCM 10403.1, Differential GNSS (Global Navigation Satellite Sys-tems) Services Version 3, 2006.

49. Межгосударственный стандарт ГОСТ 7.32-2001. Система стандартов по информации, библиотечному и издательскому делу. Отчет о научно-исследовательской работе. Структура и правила оформления.