автореферат диссертации по радиотехнике и связи, 05.12.04, диссертация на тему:Разработка беспереборных методов раскрытия неоднозначности фазовых измерений в угломерной спутниковой радионавигационной аппаратуре

Введение

Глава 1. Принципы работы угломерной навигационной аппаратуры

1.1. Основы навигационно-временных определений

1.2. Проблема высокоточного углового позиционирования по сигналам СРНС

1.3. Модели первичных измерений навигационных параметров

1.4. Ошибки измерения навигационных параметров

1.5. Методы раскрытия неоднозначности в фазовых интерферометрах СРНС.

1.6. Выводы

Глава 2. Беспереборный метод раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов СРНС

2.1. Беспереборный метод раскрытия неоднозначности в навигационной аппаратуре с многошкалыюй антенной системой

2.2. Метод приведения отсчетов первичных измерений к общему времени излучения сигнала

2.3. Особенности реализации беспереборной процедуры раскрытия неоднозначности при использовании сигналов системы ГЛОНАСС

2.4. Оценка влияния ошибок измерения псевдодальности и фазы на характеристики процедуры раскрытия неоднозначности

2.5. Метод уменьшения флюктуационной составляющей ошибки измерения псевдодальности за счет использования фазовых измерений

2.6. Выводы

Глава 3. Программно-алгоритмическая реализация беспереборного метода раскрытия неоднозначности.

3.1. Структурные схемы угломерной навигационной аппаратуры

3.2. Алгоритм работы угломерной навигационной аппаратуры

3.3. Процедура определения параметров антенной системы навигационной аппаратуры

3.4 Решающее правило переборной процедуры раскрытия неоднозначности фазовых измерений

3.5. Процедуры обнаружения и исправления ошибок, обусловленных перескоками фазы в контуре ФАПЧ

3.6. Особенности реализации переборных алгоритмов раскрытия неоднозначности в навигационной аппаратуре с многошкальной антенной системой

3.5 Выводы

Глава 4. Экспериментальное исследование алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры

4.1. Методика исследования алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры

4.2 Описание экспериментальной установки

4.3 Результаты экспериментального исследования алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры

4.4 Выводы

Актуальность данной работы определяется тем, что, несмотря на большой научно-технический задел в вопросе раскрытия неоднозначности фазовых измерений в угломерной НАП, полностью данная задача не исследована.

Целыо диссертационной работы является анализ, разработка и исследование методов совершенствования характеристик угломерной навигационной аппаратуры на основе беспереборных методов раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов НКА СРНС ГЛОНАСС и GPS в угломерной НАП с многошкальной коллинеарной антенной системой.

При этом особое внимание уделено рассмотрению алгоритмов, основанных на использовании открытых сигналов СРНС (СТ в системе ГЛОНАСС и С/А в системе GPS), позволяющих решать задачи определения ориентации широкому кругу потребителей. По этой причине в диссертации не рассматриваются многочастотные методы раскрытия неоднозначности, предполагающие использование закрытых сигналов СРНС.

В работе решены следующие основные задачи:

1. проведен анализ современных подходов и достижений в вопросе решения задачи раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты в угломерной НАП, построенной по принципам радиоинтерферометрии, позволивший выявить неисследованные возможности по реализации процедуры раскрытия неоднозначности;

2. показана возможность привлечения измерений псевдодальности к решению задачи раскрытия неоднозначности фазовых измерений при реализации антенной системы НАП в виде радиоинтерферометра с коллинеарными н еэ к в и д и ста нтн ы м и базам и;

3. на основе данных анализа предложен метод раскрытия неоднозначности, позволяющий определять параметры ориентации объекта с частотой следования отсчетов первичных измерений (псевдодальности и фазы);

4. исследована зависимость количества баз в интерферометре от точности измерения радионавигационных параметров (псевдодальности и фазы) и подтверждена возможность сокращения количества баз и геометрических размеров интерферометра за счет повышения точности измерения исевдодальности путем сглаживания с помощью приращений измерений фазы псевдодоплеровской частоты;

5. исследованы особенности реализации разработанного беспереборного метода раскрытия неоднозначности при использовании измерений по сигналам НКА системы ГЛОНАСС, использующей частотное разделение сигналов;

6. предложен способ обнаружения искажений измерений фазы, вызванных сбоями в работе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), использующий возможности представленного метода раскрытия неоднозначности и не имеющий ограничений, обусловленных динамикой потребителя;

7. на основе полученных результатов разработан алгоритм работы угломерной МАП, реализующий предложенный метод раскрытия неоднозначности;

8. проведено лабораторное исследование алгоритма работы угломерной ПАП на серийно выпускаемых навигационных приемниках и представлены полученные экспериментальные результаты.

На защиту выносятся следующие основные положения: В диссертационной работе получены следующие новые результаты, выносимые на защиту:

• беспереборный метод раскрытия неоднозначности фазовых измерений в угломерной НАП с многошкальной антенной системой, позволяющий отказаться от ограничения на однозначность фазового измерения на малой базе и учитывающий особенности использования измерений по сигналам системы ГЛОНАСС, использующей частотное разделение сигналов НКА;

• методика и соотношения для определения оптимальных параметров антенной системы радиоинтерферометра, учитывающие особенности использования одночастотных открытых сигналов спутниковых радионавигационных систем и позволяющие реализовывать беспереборную процедуру раскрытия неоднозначности;

• теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности сокращения размеров антенной системы за счет повышения точности измерения псевдодальности с помощью совместной обработки псевдодальномерных и фазовых измерений;

• обоснование необходимости калибровки НАП при раскрытии неоднозначности фазовых измерений но сигналам НКА системы ГЛОНАСС многошкальным методом с целью определения поправок к измерениям, вызванным неидентичностыо характеристик группового времени запаздывания (ГВЗ);

• решающее правило процедуры начального определения параметров антенной системы (инициализации) угломерной навигационной аппаратуры;

• методика и результаты экспериментального исследования работоспособности разработанных методов раскрытия неоднозначности на опытном образце угломерной аппаратуры, реализующем предложенную структуру и алгоритм.

Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка литературы.

4.4. Выводы.

Проведенное в работе экспериментальное исследование беспереборного метода раскрытия неоднозначности и решающего правила переборной процедуры раскрытия неоднозначности позволяет сделать следующие выводы:

1. экспериментально подтверждена возможность практической реализации беспереборной процедуры раскрытия неоднозначности в двухбазовом интерферометре с вероятностью порядка 0,95 при работе по сигналам системы GPS и 0,8 при работе по сигналам системы ГЛОНАСС при использовании измерений псевдодальности и процедуры сглаживания псевдодальномерных измерений с помощью приращений измерений фазы для НКА углами места более 10°;

2. подтверждена возможность реализации автономной процедуры калибровки ВЧ трактов приемников, входящих в состав угломерной навигационной аппаратуры, с целью определения поправок, вызванных неидентичностыо характеристик группового времени запаздывания сигналов, к первичным измерениям;

3. предложенное в главе 3 решающее правило переборной процедуры раскрытия неоднозначности обеспечивает вероятность правильного определения параметров фазовой неоднозначности не менее 0,95 при использовании измерений по 7 НКА системы GPS при использовании любого тииа антенн и позволяет повысить вероятность правильного раскрытия неоднозначности при работе по рабочим созвездиям малых размеров (5-6 НКА) до 0,4 - 0,9 по сравнению с разработанными ранее. Привлечение измерений по сигналам системы ГЛОНАСС позволяет обеспечить заданную вероятность правильного раскрытия неоднозначности за счет увеличения числа измерений (избыточности).

Заключение.

Проведенное в данной работе исследование методов повышения эффективности спутниковой угломерной навигационной аппаратуры на основе беспереборных методов раскрытия неоднозначности фазовых измерений позволяет сделать следующие выводы:

1. наиболее распространенные переборные методы поиска максимально правдоподобных оценок векторов целочисленных параметров фазовой неоднозначности имеют ряд недостатков, важнейшими из которых являются необходимость использовать измерения по максимально возможному количеству НКА (для раскрытия неоднозначности за время порядка 1 минуты необходимо не менее 7 НКА) и требование непрерывности слежения за ними. При этом вероятность правильного раскрытия неоднозначности при работе по одномоментным первичным измерениям навигационных параметров и выборкам малого объема остается недостаточной для многих практических приложений;

2. от указанных недостатков свободны многошкальные методы, позволяющие реализовать беспереборную процедуру раскрытия неоднозначности по одномоментной выборке первичных измерений навигационных параметров. Для успешного применения многошкальных методов на практике в диссертации решена задача выбора структуры и определения параметров антенной системы навигационной аппаратуры; разработаны методы повышения точности измерения навигационных параметров и алгоритмы обнаружения и исправления ошибок, вызванных сбоями в работе схем ФАПЧ несущей частоты, а так же исследованы особенности реализации разработанных алгоритмов при обработке измерений, полученных по сигналам НКА ГЛОНАСС, использующих частотный метод разделения сигналов;

3. полученные в данной работе выражения позволяют производить оценку параметров фазовой неоднозначности в многошкальных интерферометрах с антенной системой, образованной коллинеарными неэквидистаными базами. Показано, что при использовании предложенной процедуры раскрытия неоднозначности для определения ориентации объекта могут привлекаться те же НКА, которые используются для решения стандартной навигационной задачи (не менее 4 НКА);

4. для раскрытия неоднозначности фазовых измерений но сигналам НКА ГЛОНАСС необходима процедура калибровки, позволяющая определить поправки к первичным измерениям, учитывающие неидентичность характеристик группового времени запаздывания приемных трактов навигационной аппаратуры;

5. для повышения вероятности правильного раскрытия неоднозначности и сокращения геометрических размеров антенной системы предложено использовать алгоритмы сглаживания псевдодальномерных измерений с помощью приращений измерений фазы;

6. экспериментально подтверждена возможность практической реализации бесиереборной процедуры раскрытия неоднозначности в двухбазовом интерферометре с вероятностью порядка 0,95 для GPS и 0,8 для ГЛОНАСС при использовании НКА с углами места более 10°;

7. с точки зрения простоты и минимизации стоимости аппаратуры, реализующей предложенный беснереборный метод раскрытия неоднозначности, целесообразно строить угломерную навигационную аппаратуру путем комплек-сирования стандартных навигационных приемников с использованием общего опорного генератора;

8. решающее правило процедуры раскрытия неоднозначности при начальном определении параметров антенной системы НАП, предложенное в данной работе, обеспечивает вероятность правильного раскрытия неоднозначности не менее 0,95 при использовании не менее 7 НКА и позволяет повысить вероятность правильного раскрытия неоднозначности при работе по рабочим созвездиям малых размеров (5-6 НКА) на 30 - 70 %.

1. Бычков С.И. Космические радиотехнические комплексы. М.: Сов. Радио, 1967.-245 с.

2. Институт Космических исследований РАН 35 лет. - М.: ИКИ РАМ, 1999. -208 с.

3. Albertine J.R. An azimuth determination system utilizing the navy navigation system // Navigation. 1974. - Vol. 1, № 1. - P. 54-60.

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

5. Kaplan Е. D. Understanding GPS. Principles and Applications. London: Artech House, 1996.-555 p.

6. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / В.Н. Ха-рисов, А.И. Перов, В.А. Болдин и др. М.: ИПРЖР, 1999. - 560 с.

7. Interface Control Document: NAVSTAR GPS Space Segment / Navigation User Interfaces (ICD-GPS-200.). Rockwell Int. Corp., 1987. -138 p.

8. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. 4-я редакция. М.: Изд. КНИЦ ВКС РФ, 1998. -53 с.

9. Кинкулькин И.Е., Рубцов В.Д., Фабрик М.А. Фазовый метод определения координат. М.: Сов. Радио, 1979. - 280 с.

10. Ю.Липкин И.А. Спутниковые навигационные системы. М.: Вузовская книга, 2001.-288 с.

11. П.Гепикс А.А., Побединский Г.Г. Глобальная спутниковая система определения местоположения GPS и ее применение в геодезии. М.: "Кардиоцентр -Геодезиздат", 1999. - 272 с.

12. H.Povaliaev А.А. Using Single Differences for Relative Positioning in GLONASS // ION GPS-97, 10th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Kansas City, Missouri: 1997. - P. 929-937.

13. Xu G. GPS: Theory, Algorithms and Aplications. Berlin: Springer-Verlag, 2003.- 315 p.

14. Remondi B.W. Kinematic and Pseudo-Kinematic GPS // ION GPS-88, 1st International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. -Colorado Springs, Colorado: 1988.-P. 115-121.

15. Пензин K.B. Алгоритм оперативной обработки многошкальных измерений по критерию максимального правдоподобия // Радиотехника и электроника.- 1990. Т. 25,№ 1.-С. 97-106.

16. Поваляев А.А. Об оценке максимального правдоподобия в многоканальном измерительном устройстве // Радиотехника и электроника. 1976. - Т. 21, №5.-С. 1042-1049.

17. Поваляев А.А. Задача фильтрации при неоднозначных фазовых измерениях // Радиотехника и электроника. 1999. - Т. 44, № 8. - С. 972-981.

18. Frei Е., BeutlerG. Rapid Static Positioning Based on the Fast Ambiguity Resolution Approach (FARA): Theory and First Results // Manuscripts Geodetics. -1990.-Vol. 15.-P. 325-356.

19. Landau H., Euler H.J. On-The-Fly Ambiguity Resolution for Precision Differential Positioning// ION GPS-92, 5th International Technical Meeting of the satellite Division of the Institute of Navigation. Albuquerque, New Mexico: 1992. -P. 607-613.

20. Abidin H. A. Computational and Geometrical Aspects of On-The-Fly Ambiquity Resolution. Canada: University of New Brunswick, 1993.-314 p.

21. Hatch R.R. Instantaneous Ambiguity Resolution. Kinematic Systems in Geodesy, Surveying and Remote Sensing I 11 AG Symposium 107. Springer-Vegas: 1990.- P. 299-308.

22. Chen D. Fast Ambiguity Search Filtering (FASF): A Novel Concept for GPS Ambiguity Resolution // ION GPS-93. 6th International Technical Meeting of the Satellite Division of the Institute of Navigation. Salt Lake City, Utah: 1993. -P. 781-787.

23. De Jounge P.J., Tiberius C. The LAMBDA method for integer ambiguity estimation: implementation aspects. Delft: Geodetic Computing Centre, 1996. - 50 p.

24. Tiberius C., De Jounge P.J Fast positioning using the LAMBDA-method // DSNS- 95, 4th International Symposium on Differential Satellite Navigation Systems. -Bergen, Norway: 1995. P. 30-38.27.\vww.furiina.com

25. Remondi B.W. Using the Global Positioning System (GPS) Phase Observable for Relative Geodes: Modeling, Processing, and Results. Austin: Center for Space Research. The University of Texas. - 1984. - 360 p.

26. Багрова M.C. Алгоритмы комплексирования инерциального блока низкой точности и системы спутниковой навигации: Дис. .канд. техн. наук. Москва, 2003,- 121 с.

27. Пензин К.В. Синтез трехшкальных измерительных систем // Радиотехника и электроника. 1994. - Т.39, № 7. - С. 1140-1152.

28. ЗКПензин К.В. Синтез многошкальных измерительных систем // Радиотехника и электроника. 1987. - Т. 32, №2. - С. 347-355.

29. Пензин К.В. Синтез структуры многошкальных многонараметрических измерительных систем // Радиотехника и электроника. 1990. - Т. 35, №11. -С. 2317-2326.

30. Никехин А.А. Интерферометрический метод определения ориентации летательного аппарата но сигналам спутниковых радионавигационных системы ГЛОНАСС и НАВСТАР: Дис. .канд. техн. наук Санкт-Петербург, 1998.- 172 с.

31. Белов В.И. Оценка достоверности оптимального и квазиоптимального алгоритмов обработки многоканальных фазовых измерений // Радиотехника и электроника. 1994. - Т. 39, № 10. - С. 1619-1627.

32. Армизонов А.Н., Денисов В.П. Применение метода максимального правдоподобия к обработке сигналов в фазовых пеленгаторах с плоскими антенными решетками // Радиотехника и электроника. 1995. - Т.40, № 5. - С. 727735.

33. Армизонов А.Н., Денисов В.П., Дубинин Д.В. Методы приближенного расчета вероятностей правильного устранения неоднозначности в фазовых пеленгаторах с плоской антенной решеткой // Радиотехника и электроника. -1995. Т. 40, № 2. - С. 249-254.

34. Денисов В.П. Анализ квазиоитимального алгоритма устранения неоднозначности в многошкальной фазовой измерительной системе // Радиотехника и электроника. 1995. - Т. 40, № 4. - С. 591-597.38.w\v\v.trimble.com.

35. Власов И.Б., Пудловский В.Б., Тарахнов С.И. Точностные характеристики спутниковой навигационной аппаратуры с угломерным каналом // Вестник МГТУ. Приборостроение. 1997. 1. - С. 114-127.

36. Власов И.Б. Спутниковая радионавигационная аппаратура с угломерным каналом и перспективы ее применения // Вестник МГТУ. Приборостроение. -1997.-№4.-С. 16-22.41. www.javadgps.ru

37. Линдсей В. Системы синхронизации в связи и управлении. -М.: Сов. Радио, 1978.-600 с.

38. Невзоров P.A. Критерий разрешения неоднозначности фазовых измерений GPS приёмников при оценивании относительных координат неподвижных объектов // Радиотехника. 2003. — № 6. - С. 3-9.

39. Справочник по теории вероятностей и математической статистике. / B.C. Королюк, H.H. Портенко, A.B. Скороход, А.Ф. Турбин М.: Наука, 1985. -640 с.

40. Дунин-Барковский И.В., Семенов Н.В. Теория вероятностей и математическая статистика в технике. М.: Гостехиздат, 1955. - 556 с.

41. Бронштейн И.Н., Семендяев К.Л. Справочник по математике. М.: Паука, 1965.-608 с.

42. Корн Г., Корн Т. Справочник но математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1973. - 832 с.

43. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники; В трех книгах. М.: Сов. Радио, 1976. - Книга третья. - 288 с.

44. Власов И.Б., Карутин С.Н. Алгоритм определения малых относительных перемещений с помощью приемников спутниковых радионавигационных систем // Вестник МГТУ. Приборостроение. 2002. - № 2. - С. 28-36.

45. Карутин С.Н. Бесиереборный метод раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов СРНС // Радиолокация и связь -перспективные технологии.: Тез. докл. Молодежной, конф. Москва, 2003.-С. 115-118.

46. Власов И.Б., Карутин С.Н. Одномоментный беспереборный метод раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов СРНС GPS // Радиолокация, навигация, связь.: Тез. докл. Всерос. конф. -Воронеж, 2003.-С. 1639-1645.

47. Карутин С.Н. Беспереборный метод раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов СРНС // Системный анализ и управление.: Тез. докл. Межд. конф. Евпатория, 2003. - С. 113-114.4»

48. Описание фильтра на поверхностных акустических волнах АЕ5517Н-160.4.

49. Единица измерения МГц дБ МГц МГцдБ