автореферат диссертации по геодезии, 05.24.01, диссертация на тему:Разработка технологии навигационно-геодезического обеспечения морских геофизических исследований на основе дифференциальных методов GPS

На правах рукописи УДК 528.2/.3

Будраиов Александр Евгеньевич

РАЗРАБОТКА ТЕХНОЛОГИИ НАВИГАЦИ0НН0-ГЕ0ДЕЗИЧЕСК0Г0 ОБЕСПЕЧЕНИЯ МОРСКИХ ГЕОФИЗИЧЕСКИХ ИССЛЕДОВАНИИ НА ОСНОВЕ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ МЕТОДОВ GPS.

05.24.01 "Геодезия".

Автореферат диссертации на соискание ученой степени кандидата технических наук.

г.Москва, 1098.

V Б ОН , ц fttft 199«

Работа выполнена на кафедре высшей геодезии Московского государственного университета геодезии и картографии.

Научный руководитель - кандидат технических наук,

профессор Глумов п.П.

Официальные оппоненты - доктор технических наук Масленников

Александр Сергеевич кандидат технических наук, доцент Ворницкий Михаил Игоревич.

Ведущая организация: Московское аэрогеодезическое предприятие.

Защита состоится • дг^с,^^ 1998 г.

п/З —час, на заседании диссертационного Совета К.ОСЗ.01.01 в Московском Государственном Университете Геодезии и Картографии п адресу : 1030(34, Москва К-64, Гороховский пер.,д. 4, ( ауд._3?и_)

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке МИИГАиК Автореферат разослан "----- " ——1998 года.

Ученый секретарь Диссертационного Совета: _____ В.А.Монахов

ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА Г'АБОТЫ

Ъ

Актуальность ^олш. Россия традиционно относится к числу веду-х мировых держав, играющих активную роль в процессах изучения, воения и эксплуатации Мирового океана. По прогнозным оценкам бое 80 процентов запасов нефти и газа России сосредоточено и недрах льфа ее северных морей. Освоение их, а также использование других точников сырьевых ресурсов океана, расположенных в пределах зон есийской юрисдикции, является необходимым условием оОеспочения тойчивого сбалансированного развития экономики России. Актуальной дачей является разработка эффективной технологии морских сейсмо-зведочных работ и методов их навигационно-геодезического обеспе-

ния па основе последних достижений техники глобальных спутниковых дионавигационных систем СРВ и ГЛОНАСС.

Цель работы. Основной задачей диссертационной работы является

зработка технологии навигационно-геодезического обеспечения

рских геофизических исследований с использованием

фференциалышх методов 'Ж а также решение научно -технических

дач совершенствования программно-математического обеспечения

ртовых навигационных комплексов.

Научная новизна работы. В диссертации получены новые научные

зультаты:

на основе экспериментальных данных прохождения ектромапштных волн разработана методика установки и настройки ффереициальной станции ОРУ в целях навигационно-геодезического еспечения морских сейсморазведочных работ:

- созданы алгоритмы и программное обеспечение (ПО) расчета основных рактеристик положения судна на профиле:

- предложен алгоритм решения задачи контроля интегрально! целостности навигационной системы GPS и ГЛОНАСС на основе статиста ческого критерия хи-квадрат;

- показано что в условиях сложной помеховой обстановки пр частых срывах прохождения сигнала дифференциальных понраво возможно использование устойчивых алгоритмов Калмановско фильтрации на основе современных численных методов.

Практическая ценность работы. Проведенные научно-технически исследования могут служить основой для создания и развитая пони методик навигационно-геодозичоского обоснования морских геофизичес ких работ, что может повысить их надежность и экономическу эффективность.

Апробация работы. Результаты исследований, выполненные авторо и изложенные в диссертации, обсуждались на заседании кафодры висше геодезии МИИГАиК и были одобрены.

Практическая реализация. Результаты выполненных в диссертаци научно- технических исследований были реализованы при проведени морских геофизических работ на борту [-ШС Геофизик-2 а также нр установке, настройке и эксплуатации опорной дифференциальной стан ции GPS в поселке Логаиь (Калмыкия).

Структура и объем диссертации. Диссертация состоит и введения, 5 глав, заштчения, списка литературы и приложений. Общи объем работы 128 страниц, из них 77 страниц машинописного текста, таблицы, 22 рисунка и 2G стр. приложений. Список литературы иклк чает 33 наименований, из них 16 на иностранных языках.

ОСНОВНОМ СОЛЫ'МД111/1Е РАБОТЫ

Во введении указывается большое экономическое значение исследований минеральных запасов Мирового океана для устойчивого развития экономики России на рубеже XXI века. Определяются основные цели я задачи исследований в ооласти совершеннствования методов навига-донно-хчюдезического обосновании морских геофизических работ с использованием современных достижений России и США в создании глобальных спутниковых систем позиционирования ь'РС и Г'ЛОИлСО. Ставится основная задача по разработке алгоритмов контроля интегральной делостности навигационных комплексов построенных на базе этих спутниковых систем навигации.

1люл0мш1 шщунАгодаого МО^КОГО ЦРАМ.

В данной главе дается краткий обзор основных норм мохдупарод-юго мирского нрава как основного механизма регулирования научно-исследовательской и экономической деятельности в акватории Мирового зкеана. Описаны основные положения Конвенции ООН по морскому праву 198:-', г., дается определение важнейшим понятиям - территориального юря, района морского дна, континентального шельфа и исключительной .экономической зоны. Указаны права всех государств на исследования и разработку всех видов минеральных ресурсов Мирового океана под шнтролем Международного органа по морскому дну, учрежденного Конвенцией. Для предприятий геодезического профиля России положения 'онвонции определяют на ближайшую и отдаленную перспективу необхо-шмцй цикл и содержание работ по направлению "морская геодезия".

Глася 2.СОВРЕМЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ DOTS И МОРСКОЙ НАВИГАЦИИ И

ГЕОФИЗИКЕ.

Появлонио спутниковых радионавигационных систем (СРНС ) ОТ S и ГЛОНЛСС вызвало необходимость пересмотра всей технологии морских геодезических работ, а также техники судовождения и навигации. Широков распространение получили дифференциальные системы GPS (WPS ) [ 1,3 ]. Для эффективного использования этих систем в морской сейсморазведке авторитетная международная организация - Ассоциация разработчиков континентального шельфа Великобритании (UK0A ) в марте 1992 г. опубликовала доклад, в котором DGPS определяется как система позиционирования мобильной платформы в режиме реального времени с коррекцией псевдодальностеЯ. Корректирующие поправки определяются на опорной станции и передаются мобильной платформе. Для контроля качества получаемых координат используется станция мониторинга. В докладе приводятся стандарты и руководства, дающие возможность использовать WPS как отдельную независимую систему позиционирования. Рассматриваются вопросы требований для основной инфраструктуры DGPS, контроля качества ОС, постобработки данных а также вопросы накопления и храпение этих данных.

Принципиальное значение в докладе UK0A придаётся контролю качества работы (Quality Control, (ОС)) DOTS. ОС определяется как способ или средство которое в процессе работы DGPS предоставляет конечному пользователю гарантию качества (Ouality Assurance) (QA). Параметры ОС и OA являются показателями того, как аппаратура DOTS удовлетворяет оговоренным требованиям по точности в процессе ее эксплуатации. Главное требование при использовании DOTS в реальном

времени является непрерывный контроль качества ОС получаемых обсерваций и статистическая оцешся этого параметра. Ото отличает Г."Л"' от радионавигационных систем наземного базирования, в которых главным треоованием является повторяемость результатов. Придание IX5PS статуса основной системы позиционирования судна,выполняющего сейсмические раОоты,делает требование непрерывного контроля ОС еще более актуальным.

Электронные карты (Electronic Chart Display arid Integrated liyatc-m (KCDIi;)) и D'jPS явились революционным шагом в морской навигации. Аппаратура этих систем дает возможность судоводителю видеть изображение судна в виде условного знака на экране дисплея и окружающую гидрографическую обстановку: береговую линию, промеры, буи, маяки, батиметрические контуры и т.д. Однако ECDIS гораздо больше чем электронная копия бумажной карты. В сочетании с Gl'S, радаром и гирокомпасом эта система дает всю необходимую информацию для осуществления безопасной проводки судна в изображаемом на карте районе, а также для любого маневра и планирования дальнейшего плавания. Особенно повышается безопасность навигации при совместном использовании радара и электронной карты в реальном времени с использованием базы данных всех навигационных опасностей по ходу движения судна. Наряду с преимуществами, системы ECLUL'/boTS создают новые проблемы как разработчикам, так и потребителям, главной из которых является проблема использования современные средства позиционирования в условиях устаревших гидрографических данных.

Глава 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ИНТЕП'АЛЫЮИ ЦЕЛОСТНОСТИ ПРИЕМНОЙ АППАРАТУРЫ GPS И GLONASS.

Для объективной оценки точности СРНС, выявления сбоев и грубы ошибок в ее работе целесообразно ее сочетание с традиционными ра дионавигационными системами, посредством которых с достаточной точ ностью измеряется один или несколько составляющих местоположения Даже в дифференциальном режиме сочетание этих методов позволи избежать ошибок, вызванных, например, недопустимо низкой точность эфемерид ИСЗ 12 ]. Вместо с этим одним из сдерживающих факторог препятствующих приданию СРНС статуса основных навигационных cpej ств, является недостаточная степень контроля надежности получаемь навигационных данных. С развитием дифференциальных систем G1 (DGPS), сетей DGPS (WADGPS), а также сложных радионавигационнь комплексов наземне космического базирования значение фактора над«, жности значительно возросло. В докладе UK0A дается рекомондац! использовать для контроля качества «,€ навигационных данных 1X31 алгоритмы интегрального мониторинга приемной аппаратуры пользовап ля GPS (Receiver Autonomous Integral Monitoring (RAIM) алгоритмы основанные на методах математической статистики. Интегральный мош торинг навигационной системы можно определить как способность си< темы своевременно обнаружить ошибочные измерения и локализова' источник этих ошибок, но допуская их использование в дальнсйш< обработке.

В настоящей работе исследуется алгоритм интегрального монит( ринга для приемной аппаратуры потребителя системы GPS с использо ванием свойств распределения % L4 1. Строится численная моде.

о.

созвездий 'jl-i; и ÍV10UACG. на которой отрабатывается решение навигационной задачи в условиях погрешностей отдельных радиоиашрационных параметров (РПП). На основе избыточных измерений строится индикатор (обнаружитель) ошибочного сигнала и определяется спутник рабочехю созвездия, передающий ошибку, изучаются характеристики обнаружителя для различных значений вероятности ложной тревоги (ProaaDlilty oí FaJí» Alara) РКА и вероятности пропуска ошибки (Prolmbillty oí Ululad U.-tc-ction) PML'■ Получена таблица значений для различных i't'A и полного рабочего созвездия '.Л*:.' и ГЛОИАСО.

Автор строил численную модель системы GP:.; и PiiOilACC в виде созвездия из 48-и спутников, расположенных в 12-и орбитальных плоскостях с углом наклонения Ьг>" по -1 спутника в плоскости, равномерно расположенных на орбите. Высота спутников над поверхностью Земли составляла 2U>UU км. Приемник сигналов (И ) располагался на поверхности эллипсоида Ví'o'S - Ы . Для вычислений использовались координаты спутников и 11 в прямоугольной декартовой геоцентрической системе координат. Основное уравнение для М каналов измерений представлялось в виде:

z --■ tlx + n + b, (1)

где l: - Мх 1 вектор измерений; М>6;

Н - МхЫ катрица измерений;

х - Ых1 вектор состояния приомншеа с компонентами xfx.y,^,At); M-l; дь- сдвиг временных шкал приемника и спутника;

n Мх 1 вектор гауссовского шума измерений со средним

Е[п]~-0 и ковариациой GOV Ln J = о* 1м где

1и-едипичная матрица порядка М; Ь - Mxl вектор погрешностей.

В отсутствии погрешностей измерений 6=0 и при появлении погрешности в 1-ом канале 5 = 5t , где 5t- Mxl нулевой вектор с элементом В в 1-й компоненте. Матрица измерений Н является матрицей направляющих косинусов с единицами в 4-ом столбце, соответствующими производной по ¿t.

Математическая модель обнаружителя строится введением вектора паритета р со следующими свойствами:

1) р не зависит от воктора состояния х;

2) при отсутствии погрешностей 5=0 и Е.ф]=0;

3) в случае погрешноти в канале 1 Ь = Ь и Е ф ]=В;

Решение системы (1) можно представить в виде:

х = H*z = х + Н* (п + Б), (2)

гдо Н* -- «ГНГЧГ - обобщенная обратная матрица N х М, пореводящая пространство измерений в пространство состояний;

х - вектор оценки положения приемника в смысле наименьших квадратов.

Наблюдаемый вектора погрешностей f получается из выражения:

f = Sz: s - I - H H*. (3)

Компонент случайного вектора Г при отсутствии погрешностей РНП (Ъ=и )имоют нормальное распределение с нулевым сродним и дисперсией о*. Работа обнаружителя ошибочных измерений РНП основана на проверке статистической гипотезы о том, что величина О/о* -« (!/о* )Е имеет распределение с М-Ы степенями свободы. Выдвигается нулевая гипотеза Ц о том, что ошибки ИШ нет (Ь---0) и альтернативная гипотеза И о наличии ошибки о 1-м измерении (Ь =-В). Качество работы обнаружителя характеризуется вероятностью ложной тревоги РгЛ и пропущенной ошибки Р.МО:

РКА - РЮЯ'|Н ],

РМО

где Т - пороговое значение шума.

Если (Ь-и), то первое уравнение в (4) можно представить в виде:

1'Ь'А = 1 - Р(Т/ог

-Ы ).

(Ь)

где

| М-Ы )=

Г (г )

¿г

(6)

г , I

Функцию пропущенных ошибок РМО из (4 ) можно выразить следующим эбразом:

1 м

РМО - м Е Р 1Т/о2 | М--Ы, (Вг/о* ^ ], (7)

» = I

ГДО

Р(Х |М-Ы,0 )

Е £

) =0

■ 0^2

(О/г )

.1?

Р(Х2|М-Ы + 23). (В)

Схему 1{л1М-алгоритма обнаружения ошибок можно представить следующим образом:

1) По заданному значению вороятности ложной тревоги РЕА, числу избыточных спутников г = М-М и дисперсии шума в каналах измерений о' определяется порог срабатывания обнаружителя Т из соотношений (5) и (6). '

2 )Исиользуя матрицу направляющих косинусов из (1) рассчитывается матрица Б.

3) Вычисляется вектор ошибок .

4) Опредоляотя критерий .

5) Если 0>Т принимается решение о наличии ошибки.

6) Канал с ошибочными измерениями локализуется вычислением величины для 1=1.....М.

7) шаги 3), 4), 5), 6) повторяются для каждого измерения.

В настоящей работе относительный параметр Т/а* вычислялся отдельно для значений г=1,2,... ,'14. и РЕА = 10"1 ,10"г ,... ,10_4>, что дает возможность обрабатывать сигналы до 18-и спутников комбинированного созвездия и ГЛОНАСС (Табл. 1). Для решения нелинейного уравнения (Ь), (6) автором составлена программа для ПЭВМ, в которой использован комбинированный метод бисекции и секущих Деккера и Брента. Интеграл (6) для г=1 вычислялся программой автора с использованием адаптивного алгоритма кусочно-линейной аппроксимации Ньютона-Котеса 8-го порядка. Для г>2 использовалось рекуреитное соотношение:

1> (хг | г+2) -- I' (%7-1 г)

-X 72

I1 ('

(9)

Качество работы представленного ЕА1М-алгоритма определялось построением- зависимости вероятности пропущенных ошибок РМЭ от заданной вероятности ложной тревоги РКА для различных значений избыточных спутников г-М-Ы и дисперсии измерений а*. При вычислении РМО по формуле (7) использовались- алгоритмы и программы автора.

Глава 4.ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИИ DGP^- Ii ХОДЕ СЕЙСМИЧЕСКИХ РАБОТ iiA

КАСПИЙСКОМ МОРЕ.

Ii настоящей главе автор описывает методологию создания системы павигационно-геодезического обеспечения сейсморазведочных работ на Каспийском море в 1УЭ6 г.с использованием технологии DGPS. Базовая дифференциальная станция GPS била развернута на побережье Каспийского моря в г. Логань, которая в непрерывном режиме передавала по радиоканалу дифференциальные поправки на борт НИС "Профессор Ряоинкин" и НИС "Геофизик-2". Опорным устройством GPS являлся 12-канальный приемник DNS-12 . Для навигации судов использовались приемники 'Ж DNS- 12 , »Ж-ОК-Н - (ф. Ashtecfi США) и Nk-iul-, (Sercel, Франция). Радиоантенна для передачи дифф.поправок имела высоту 25 м и была установлена на открытой площадке на расстоянии 50 метров до ближайших построек. Сигналы от всех видимых спутников рабочего созвездия принимались на антенну GPS и передавались в опорный приемник DNS- 12. Станция настраивалась подключением к со последовательному входу персонального компьютера. Скорость передачи поправок на первом этапе была установлена 150 бит/с. Скорость обмена данными DNS-12 - Deltafix LI; устанавливалась 9GUÜ bod. Осо бое внимание уделялось системе бесперебойного питания.

Привязка антенны GPS опорного приемника осуществлялась с помощью теодолитных измерений прямой засечкой с пунктов полигономет-рии 4 класса с дальнейшим пересчетом в систему WGS-84. Контроль полученных координат проводился накапливанием обсерваций опорным приемником. Средняя квадратическая ошибка местоположения антенны относительно данных геодезической съемки составило 2.3 м.

Программно-аппаратурный комплекс (ПАК) навигациошю- геодезического обеспечения НИС Геофизик-2 был создан для работы на шельфе северного Каспия в условиях мелководья (глубины 3 - 10 метров). ПАК включал в себя 48-и канальную сейсмосганцию Прогресс-2, приемник G'PS DNS-12 (OEM tensor), приемник поправок DeltaFlx фирмы Racal (Великобритания ), систему бесперебойного питания. Управление комплексом осуществлялось посредством персонального компьютера. Работы проводились в старт-стопном режиме. Через каждые 50 м сей-смокоса длиной 1.5 км укладывалась на грунт и по команде с навигационного компьютера (НК) проводился подрыв пневмопушек. Приемник поправок принимал сигнал от базовой станции на 2-х фиксированных частотах 1606 кГц и 2335 кГц с темпом приема данных согласованным с базовой станцией - 150 bod. Приемник GPS корректировал полученные обсервации и передавал их на вход НК. На выходе НК подавался сигнал начала работы сейсмического комплекса. Весь НК был обеспечен бесперебойным питанием.

На основе опыта использования дифференциальной станции DeltaFlxLR и навигационного комплекса на борту НИС "Геофизик-2"автор исследовал вопрос надёжности приема дифференциальных поправок в различных режимах работы станции. Выли проанализированы полевые материалы гидрографического отряда НИС "Геофизик-2" и вахтенный журнал базовой станции. Была изучена зависимость параметра качества приема дифф. поправок (QA ) приемником GPS на борту судна и отношение сигнал/шум для двух передающих частот от времени суток на различных расстояниях от базовой станции. Наблюдалось снижение уровня сигнала и полное ого затухание поело захода солнца с 20.00 до 22.00. Анализ прохождения сигналов и качества приема QA показывает

общее ухудиенио приема дифф. поправок с увеличением расстояния оч базовой станции. Иаолюдалось 0o.no« шдшкоо качество ирохождмш» сигналов па частоте кЧ-ШО^ кГц,однако сигнал на частоте Г.': отличался большей устойчивостью. .Уровень '.'А -- у/. соответствовал мини -мальиому значению дА при котором принимались дифф.поправки и наолю-далпсь обсервации в дифференциальном режиме.

Автором проведен анализ зависимости уровня прохождения сигнала и качество приема дифф. поправок от непрерывно меняющегося расстил иия до базы. Отмечался неустойчивый характер качества приема п<.пра вок иЛ несмотря на приближение! судна к базовой станции. Отношение сигнал/шум также заметно не изменялось па обеих частотах.

После перенасч^юйки станции были провидены наблюдения отношения сигнал/шум и качества приема поправок «.¡А на расстоянии Ш км от передающей антенны базовой станции. Кило отмечено увеличение качества приема поправок иА до среднего уровня 70 80 ''а. Несмотря на расстояние ]14 км до базовой станции сигналы дифференциальных поправок устойчиво наблюдались на обеих частотах. Порог срыва приема поправок уменьшился до Ь до. Наблюдался увеличение уровня прохождения сигнала на частоте кГц но (¿равнению с аналогичным параметром в предыдущем режиме-. Зафиксировано резкое увеличение параметра и А после о.00 и его относительное уменьшение после ;Ю.Ш. Характер прохождения сигналов может быть интерпретирован с учетом следующих факторов:

1. Влияние суточных и сезонных вариаций плотности электронов в ионосфере на распространение электромагнитных волн фМВ) передающих корректирующие поправки с частотами Ц=.-1Ш> кГц и Г^-^.'За КГц .

'¿. Аналогичное влияние ионосферы на прохождение сигналов оК'.

а частоте 1,1=1575.42 мГц.

3. Конструктивные особенности приемников GTS а также ередающей и принимающей аппаратуры системы DsltaFlx LR.

4. Иомеховая электромагнитная обстановка в районе работ.

Результаты наблюдений полученные автором согласуются с много-

ислошшми исследованиями различных авторов влияния ионосферы на рохождение сигналов GPS в вечерние часы с 19.00 до полуночи когда нстрые изменения проводящих слоев ионосферы могут привести к зату-анию сигнала GPS и даже ого полной потерей в приемнике GPS.

лава 5. ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ РАБОТ

НА НИС "ГЕОФИЗИК-2"■

В настоящей главе описаны основные алгоритмы пакета навигаци-;шо-геодезического обеспечения НИС "Геофизик--2". Для управления удном на профиле автором разработан пакет алгоритмов и программ. давление технологическим циклом сейсмостанции предусматривает 1тервалышй и временной режимы. В интервальном режиме сигнал на ■слючоние лебедки сейсмокосы и выстрел ппевмонушек подавался после рохождения судном расстояния, проекция которого на линию профиля жсировапо оператором и составляло 50 метров в течении всего вро-эни работ. Временной режим предназначен для запуска цикла сейсми-эских работ через равные интервалы времени и в процессе работ но зименялся. В конце профиля происходит автоматическое отключение зжима управления сойсмостанцией и вводятся данные следующего по эрядку профиля. Далее следует обычный режим управления судном на фшруте. Вся навигационно-геодезическая информация в процессе сей-

омических работ записывалась на жесткий магнитный диск и выводилась на печатающее устройство.

В пакете программ рассчета параметров положения судна на про филе основной процедурой является программа решения обратной гниде зической задачи. При разработке атой процедуры автор решил задачу соответствия расчетного отклонения судна от профиля его положению [¡а экране монитора для длинных П[.юфилой (более СО км). Эффективная работа программы зависит также и значительной степени от точности, надежности и оыстродействия вычислительной процедуры решения примой (Ш'Я) и обратной геодезической задач (ОГЗ) на больших расстояниях. Автором разработаны алгоритмы и составлены программы для решения этих задач методом ьесселя и методом Томаса. Для выбора рабочего варианта программ и включения их в систему математического обеспечения навигационной системы судна автор провел исследование характеристик этих программ . Параметр быстродействия алгоритмов 01'^ и ¡1ГИ приведены к скорости работы алгоритмов метода Пессоля.

Таблица 2

ВЕБ01К ВЕБ1ЫУ ТОМАБО Т0МАБ1

Объем памяти (Кб) 6.274 7 .076 3.295 3.691

Точность вычисления расстояний (м) 0.001 0.0003 0.005 0.0008

Точность вычисления азимутов (сек. ) 0.00002" 0.00002" 0.00004" 0.0001"

Быстродействие (сек) 1 1 0.3 0.2

Метод вычислений Прямой Итеративный Прямой Прямой

Из таблицы 2 видно, что алгоритм метода Томаса решения ОГЗ ревосходит аналогичный алгоритм метода Еесселн по быстродействию в -4 раза и занимает значительно меньший обЪем машинной памяти. В рограмме решения ОГЗ методом Бесселя использовался 6-и точечный лгоритм численного интегрирования. Параметры работы алгоритмов ПГЗ ля обоих методов приблизительно совпадают. В приложении к диссер-ации автор приводит тексты программ для ЭВМ.

В конце 5-ой главы проводится анализ состава погрешностей при-мника «Ж и дается обзор основных методов их устранения. В таблице приведены вклады средиеквадратических ошибок всех видов при изме-ении дальности до спутника.

Источник погрешностей

Селективный доступ (Х/А ) Лтмосфорние погрешности:

- ионосферные

- тропосферные Ошибки часов и эфемерид Собственные шумы ир-ка Многолучевое распростр-ие Полная эквивалентная погрешность

Типичный коэфф. ухудшения точности в плане (111:101') Общая ошибка местоонреде-лония в плане (2 о)

Таблица 3

СКО измерения псевдодалыюсти в м (1 о >

'¿А .0

7.0 0.7 3.6 1.5 1.2

20.3

2 .0

101.2

Математический аппарат фильтра Калмана широко используется при создании интегральных навигационных систем. Используя различную статистику данных от навигационных датчиков комплексной навигационной системы фильтр Калмана дает оптимальную оценку динамических параметров морского подвижного объекта (МПО). Вместе с тем в ряде случаев представляет интерес выполнять фильтрацию измеренных радионавигационных параметров (РШ1) лишь одного радионавигационного устройства. Таким устройством является

фиемиая аппаратура GPS и ГЛОНЛСО. .Успехи компьютерных технологий и шкроэлектроники дали возможность фирмам производителям создавать [риемпики GPS коммерческого класса с высокими техническими характе-шетиками. Однако на выходе современных приемников GPS нет доста-•очной информации о использовании фильтрации РНП или эта информа-,ия полностью отсутствует. Но освещены вопроси численной устойчиво-:ти этих алгоритмов, защиты от грубых сбоев а также влияние негаус-ювеких распределений на работу фильтров. В настоящей работе автор троит алгоритм калмановской фильтрации составляющих вектора место-сложения приемной антенны GPS в прямоугольной декартовой системе оординат. Строится субоптимальный фильтр Калмана из класса фильт-ов с экспоненциальным затуханием. Предлагаются численно устойчи-ые методы реализации фильтра и демонстрируется его работа на на орту НИО Геофизик-2 летом 1995 года в Каспийском море. Наблюда-ась устойчивая работа фильтра что дало возможность эффективно правлять судном на профиле в условиях временной потери приема диф-еронциалышх поправок от опорной станции.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Основным результатом диссертационной работы является решение ледующого ряда научно-технических задач составляющих технологию авигационно-теодезического обеспечения морских геофизических чбот:

I. На основе экспериментальных данных прохождения пектромагнитных волн разработана методика установки и настройки 4фферепциалыюй станции GPS в целях навигационно-геодезического

обеспечения морских сейсморазведочних работ;

Л. Созданы алгоритмы и программное обеспечение (ПО) расчет основных характеристик положения судна на профиле:

3. Предложен алгоритм и ПО решения задачи коптрюля интегральн целостности навигационной системы ОРЗ и ГЛОПАСС на оспой статистического критерия хи-квадрат :

4. Разработан устойчивый алгоритм Калмановской фильтрации на вигационных данных приемника 'JP3 с использованием современных чис лонных методов решения задачи наименьших квадратов.

Результаты исследований изложенные автором в диссертаци были реализованы при проведении морских геофизических работ па Оор ту 1ШС "Гоофизик-2" на акватории северного Каспия могут быть ис пользованы для создания и развития новых методик навигациоино геодезического обоснования морских геофизических работ в целях по вышения их надежности и экономической эффективности. Основные резу льтаты работы представлены автором в следующих публикациях :

1. Будранов А.Е., Мельников C.B. Проблемы использовани дифференциальных о'РЗ в морской геофизике. Изв. высших учебн заведений, Геодезия и аэрофотосъемка, 5> 1У97 г.

2. Будранов A.D., Интегральность спутниковых радионавягацион пых систем. 03-я Научно-техническая конференция студентов, аспиран тов и молодых ученых. М. Ml/ШГАиК, г.

3. Будранов A.L., Современное применение в морской нави гации и геодезии. ь?,-я Научно-техническая конференция студенто аспирантов и молодых ученых. М. МйИГАиК, 1997 г.

4. Будранов А.Е.,Глумов В.П., Шестоналов В.Л., Алгоритм мони торинга интегральное™ аппара турного комплекса о'РЗ и ГЛОПАСС. ¿1зв

высших учебы, заведений, Геодезия и аэрофотосъемка, № 6, 1998 г.

Таблица I.

( Отношение порог /шум Т/о'"' ) г №А ИГ' кf* иг* КГ" КГ"' 10"7 ИГ" 10'"

1 с .V0 6.63 10.33 15.1-1 19 .5 1 23 .УЗ 23.3? 32.84 37.32

2 Л .60 0.21 IL'. .«2 18.42 23.03 2Г .63 32.24 36.84 4 1.45

3 О .25 11.34 16.27 L'l.ll 25. 'JO 3U ,6o 35.41 40.13 44.84

4 7.78 13.28 18.47 23.51 28.47 33.30 38.24 43.07 47 ..88

5 9.24 ló.u'j 20.51 25.74 30.86 35 .8У 40.86 45.79 50.69

6 1U .64 lo .81 22.46 27.86 33.il 30.26 43.3-1 48.36 53.34 T 12.62 18.47 24.32 29 .88 3b .2o 4u.o2 45 .70 56.81 55.87

8 13.3», 20.09 20.12 31.83 37.32 42.70 47.97 53.17 58.31

9 14.68 21.67 27.88 33.72 39.34 44.81 50.17 55.45 6Û .66

10 15 .'j'j 23.21 29.59 35.56 41.29 46.83 52.31 57.66 62.94

11 17.27 24.72 31.26 37.37 43.21 48.87 54.39 59.82 65.17

12 18.55 26.21 32.91 39.13 45.08 50.82 56.56 61.93 6Г.27

13 19.81 27.68 34.53 40.87 -16.91 52 .'i 5 58.43 63 .9-! 68.65

14 21.06 29.14 36 . 12 42.58 48.72 54.63 60.39 66.06 71.26

}

Подп. к печати 21.11.98 Формат60х90 Бумага офсетная Печ.л. 1,5 Уч.-изд. л. 1,5 Тираж 80 экз. Заказ № 266 Цена договорная

МосГУГиК 103064, Москва К-64, Гороховский пер., 4

ВВЕДЕНИЕ.

Глава 1.ПОЛОЖЕНИЯ МЕЖДУНАРОДНОГО МОРСКОГО ПРАВА

1.1. Концепция федеральной целевой программы "Мировой океан"

1.2. Основные положения морского права

1.3 Конвенция ООН по морскому праву 1982 г.

Глава 2.СОВРЕМЕННОЕ ПРИМЕНЕНИЕ ШР5 В МОРСКОЙ НАВИГАЦИИ И геофизике .;.

2.1 Определение ОСРЗ и разработка стандартов точности для морских сейсмических работ .-.

2.2 Контроль качества навигационных данных (С'С) и его составляющие

2.3 Пост-обработка данных DGPS, их запись и хранение

2.4 DGPS и электронные карты

2.5 Передовые технологии DGPS (WADGPS, STARFIX ).

Глава 3. РАЗРАБОТКА АЛГОРИТМА ИНТЕГРАЛЬНОЙ ЦЕЛОСТНОСТИ ПРИЁМНОЙ

АППАРАТУРЫ GPS И GL0NASS

3.1 Интегральность спутниковых радионавигационных систем;.

3.2 Модель GPS И GL0NASS и основные уравнения

3.3 Вектор паритетов и вектор резко выделяющихся наблюдений.

3.4 Проверка' статистических гипотез на основе хи-квадрат распределения

3.5 RAIM -алгоритм и его характеристики

Глава 4. ИССЛЕДОВАНИЕ ТЕХНОЛОГИЙ DGPS в ходе сейсмических работ на

Каспийском море

4.1. Описание и состав аппаратуры DGPS . t>

4.2 Исследование статистических характеристик точности опор ; опорного приемника GPS DNS

4.3 Программно-аппаратурный комплекс навигационно-геоде-зического обеспечения НИС Т'еофизик-2"

4.4 Исследование надёжности приёма дифференциальных поправок по сигналам приёмо-передающей аппаратуры Delt&Fix LR

Глава 5. ПРОГРАММНО-МАТЕМАТИЧЕСКОЕ ОБЕСПЕЧЕНИЕ НАВИГАЦИОННЫХ РАБОТ НА НИС ГЕ0ФИЗМН1

5.1 Структура программно-аппаратного комплекса

5.2 Расчёт основных навигационных характеристик судна на профиле

5.3 Алгоритм расчета навигационных характеристик судна на профиле DEVIAT

5.4 Алгоритмы решения прямой и обратной геодезических задач.

5.5 Алгоритмы преобразования координат

5.6 Фильтр Калмана навигационных параметров (НП) приемной аппаратуры GPS

5.6.1. Бюджет погрешностей современной приёмной аппаратуры GPS

5.6.2. Использование численно устойчивого фильтра Калмана с экспоненциальным затуханием в приёмниках GPS

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей работе автор дает описание современной технологии навигационно-геодезического обеспечения морских геофизических работ. Приводятся основные положения морского права,а также вводится концепция федеральной целевой программы "Мировой океан". Автор отмечает большое значение Конвенции ООН по морскому праву для создания юридического обоснования геофизических работ на море на рубеже XXI века. Во второй главе автор делает обзор применения дифференциальных методов GPS, приводит международные стандарты точности и качества навигационных данных для морских сейсмических работ, обсуждает перспективы использования морских электронных карт, а также перспективных технологий DGPS.

Центральное место работы занимает исследование интегральности спутниковых радионавигационных систем. Показана возможность улучшения точности навигационных определений включением в обработку наблюдений МСЗ результатов, полученных высокоточными наземными методами. Предложен алгоритм контроля интегральной целостности приёмной аппаратуры GPS и ГЛОНАСС проверкой статистических гипотез с использованием хи-квадрат распределения. На основе избыточных измерений построен обнаружитель ошибочного сигнала определяющий спутник рабочего созвездия передающий ошибку. Изучены характеристики обнаружителя для различных значений вероятности ложной тревоги (PFA) и вероятности пропуска ошибки (PMD). Получена таблица значений хи-квадрат распределения для различных значений PFA и PMD.

В четвёртой главе дается описание технологии навигатдионно-геодезического обеспечения морских сейсморазведочных работ которую автор использовал на геофизическом судне Геофизик-2 на Каспийском море. Подробно описан состав аппаратуры опорной дифференциальной станции GTS а также параметры и методика её настройки. Параметры передатчика дифференциальных поправок DeltaFix LP подбирались с учётом проведенных исследований надежности и качества прохождения сигнала на расстояниях до 140 км.

В пятой главе автор представляет описание программно-аппаратного комплекса геофизического судна Геофизик-2. Дается описание алгоритмов и программ для решения навигационных задач управления судном на профиле и на маршруте, проводится сравнение эффективности работы различных алгоритмов решения прямой и обратной геодезических задач.

В заключение автор исследует работу алгоритма фильтра Калмана 3-го порядка с экспоненциальным затуханием с учётом общей концепции надёжности и устойчивости вычислительных процедур на основе метода ортогональных отражений Хаусхолдера. Проверка работы алгоритма на численной модели и полевых данных показало его достаточную эффективность и устойчивость.

Актуальность результатов исследований выполненных автором в диссертационной работе обосновывается

- необходимостью обеспечения устойчивого и сбалансированного развития экономики России, в том числе, за счет активного включения в её экономический потенциал углеводородных ресурсов континентального шельфа ;

- важностью проблемы выявления и освоения таких ресурсов опережающими темпами на основе использования совершенных геофизических, навигационно-геодезических и других технологий;

- ростом потребности многочисленных отраслей народного хозяйства России в прогрессивных спутниковых технологиях, обеспечивающих эффективное и оптимальное решение задач геодезического цикла, являющегося составной частью, в том числе комплексных исследований Мировго океана.

Актуальность работы объясняется также тем, что ее отдельные фрагменты обеспечивают решение важной в настоящее время задачи совместного использования в работах навигационного и геодезического направлений спутниковых систем ГЛОНАСС и GPS.

1. Будранов А.Е., Мельников C.B. Проблемы использования дифференциальных GPS в морской геофизике. Изв. высших учебн. заведений, Геодезия и аэрофотосъёмка, № 5, 1997 г.

2. Будранов А.Е., Интегральность спутниковых радионавигационных систем. 53-я Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых ученых. М. МШГАиК, 1998 г.

3. Будранов А.Е., Современное применение DGPS в морской навигации и геодезии. 52-я Научно-техническая конференция студентов, аспирантов и молодых учёных. М. МИИГАиК, 1997 г.

4. Будранов А.Е.,Глумов В.П., Шестопалов В.Л., Алгоритм мониторинга интегральности аппара турного комплекса GPS и ГЛОНАСС. Изв. высших учебн. заведений, Геодезия и аэрофотосъёмка, М* 6, 1998 г.

5. Глумов В.П. , Основы морской геодезии, М. : Недра, 1983 г.

6. Глумов й.Ф. , Автоматизированные геофизические комплексы для изучения геологии и минеральных ресурсов Мирового океана.-М.: Недра, 1986.-344 с.

7. Глумов В.П. , Морская геодезия, Итоги науки и техн. ВИНИТИ. Геод. и аэросъёмка, 1983, 21, 3-65 (1984, 1.52.144К).

8. Инструкция по топографо-геодезическому обеспечению геологоразведочных работ ЙНГГ0-86.-М. : Недра,1986.-104.

9. Конвенция ООН по морскому праву 1982 года.

10. Морозов В.П., Курс сфероидической геодезии, М., Недра,1979

11. Справочник по специальным функциям под ред. М.Абрамовича к И. Стигана, М., Наука 1979.

12. Лоусон Ч., Хенсон Р. Численное решение задач метода наименьших квадратов. М., Наука, 1986 г.

13. А.Я. Хкнчин, Цепные дроби. М. Наука, 1978 г. 111 с.

14. Дж.Форсайт, М.Малькольм, К. Моулер Машинные методы математических вычислений. М., МИР, 1980 стр.172.

15. В.Л. Шестопалов, Котяшкин С.И. Сравнительная оценка эффективности прямого и итеративного алгоритмов определения местоположения в системах дальней радионавигации. Геленджик, 1988. -24 стр. Деп. в ВИНИТИ № 3126-В88.

16. McKendrick J.D., Satellites: Their use and potential for offshore communications, navigation and enviremental monitoring. J .Soc .underwater technol., 1978, 4, № 1, 27-29 (1978, 9.52.17)

17. Мое P .S., Phyne Y.T., Painter J ,H. The C/A code GPS receiver at sea. IEEE PLANS'80 Posit. Locat. AND Navig .Symp. Rec ., Atlantic Slty, N.Y., 1980. New York, N.Y., 1980, 48-50 <1981, 12.52.100)

18. Austin A. DGPS with NASA's ACTS GPS World, Juris, 1995, 42-50.

19. P.Loomis, L Sheibiat, and T.Mueller. "Differential GPS Network Design". Proc. of ION-91, September 11-13,1991, p.511-520.

20. C. Kee, B.W. Parkinson and P Axelrad "Wide Area Differential GPS". Navigation, v.32, N 2,p.123-146.

21. M.Stürza Navigation System integrity Monitoring using Redantant Measurement, Journal of the Institute of Navigation V.35,n 4 Winter 1988-89, p.483.

22. R.B.Langley The Orbits of GPS Satellitesn . GPS World, March 1991, p.50.

23. R.B.Langley The GPS Error Budget, . GPS World, March 1997, p.bl.

24. Report of the SO-159 Integrity Working Group, RT'CA paper N 220-87/SC 159-95, May 1987.

25. Klobuchar J.A. Ionospheric Effects on GPS. GPS World, April , 1991, 48-51.31. 1998 Reelever Survey . GPS World, January 1998, p.46-59.

26. Statman J.I. Simplified solution for a class of fading memory filter.- IEE Trans .Aerosp.Electr.Syst., AES-23, 1987, N 5, p. 315-319.

27. COMPUTER TASK AU T HOR: RE F" EI RE NCE INPUT DATA1.M PC AT

28. T R A N S F 0 R M A TI O N F R O M G E 0 G RAP HI C A L. T O S P A 1"IAL C 0 0 R DI N A T E:1. Budranov A-E"

29. V, P. MOROZOV i! KURS SFEROI DICHESKOY GEODEZ 11", < < N E D R A > > , 1 979, S1" R« 1 91

30. AO -- SEMI MAJOR AXIS OF SPHEROID

31. ALPHAI FLATTENING X , Y , Z - CARTE SI AN COORDIMATE S1. JTPUT DAT/1. B L H-- LATITUDE1. LONGITUDE-•■ SPHEROIDAL. HEIGHT1. RADIAN RADIAN [METER

32. SUBROUTINES AND FUNCTION USED! DOOS,DSIN,DSORT NOTE S s

33. PROGE DURE X YZ BL H < , y , , aO ? al ph ai : L GNGPL AL ;

34. Ekj T-1 (>:*>:. ■ry ii- y) 15 < z / >; 1 ) * b a;" D Ti e / S l; r t < O Ti E +1 y t ! t y t > 31. S^-- t g t ■>■■ c t ;

35. S =~ < Z +epSiUiO*£t«-bt*St > / < I -£■ 2 »aO* c t c t -$• c t } 51. ATan<tgb>5tgb«tgb;

36. S g r• t < u ti e / < o v i e t y h 2 > > 5t g ij 2. / < o ti e t g b 2: > 5j Tl fi S 2 "S'S b 2 ?3.0/ Eiqv t < arsq } 3n^ Ml/cb-Ti 51. END XYZBLH;1. END BLHXYZ;1. I DTANCTETÍ >

37. Z T'F I ■»< ONE -fS) ÏËT1 DATAN( Z > IF I DTAN< ТЕ T2>1. Z = TFI*<OME-FS>1. ТЕ T2 " DATAN ( Z >