Содержание к диссертации
Введение
Глава 1 Анализ существующих методов повышения точности пространственных параметров, полученных при навигационных измерениях 16
1.1 Глобальные навигационные спутниковые системы, сравнительный анализ основных характеристик 16
1.1.1 Космический сегмент 16
1.1.2 Наземный сегмент 21
1.1.3 Потребительский сегмент 21
1.2 Режимы работы приемника при использовании глобальных навигационных спутниковых систем 26
1.3 Анализ существующих методов для повышения точности определения координат. 33
1.3.1 Факторы, влияющие на точность местоопределения 33
1.3.2 Обзор применяемых методов для сглаживания первичных оценок координат 35
1.3.3 Метод определения фазовых приращений координат 36
1.3.4 Определение направления движения объекта 37
Выводы по главе 1 38
Глава 2 Исследование и разработка методов для повышения точности местоопределения 41
2.1 Задача обработки первичных оценок координат. 41
2.1.1 Применение теории оценивания случайных процессов для обработки навигационных измерений 42
2.1.2 Использование фильтра Калмана для совместной обработки навигационных измерений 43
2.1.3 Выбор критериев качества для навигационных решений 48
2.1.4 Фильтр Калмана для равноточных навигационных наблюдений 49
2.1.5 Сглаживающие фильтры 51
2.2 Расчет приращений позиции по фазовым измерениям 55
2.2.1 Математическая модель фазовых измерений 55
2.2.2 Формирование и решение системы нелинейных уравнений 58
2.3 Оценка направления движения объекта 60
2.3.1 Определение направления движения по результатам навигационных измерений 60
2.3.2 Фильтрация первичной оценки направления движения объекта 62
2.3.3 Модификация ФК для фильтрации циклической величины 64
2.3.4 Метод фильтрации направления движения объекта 67
Выводы по главе 2 71
Глава 3 Имитационное моделирование сглаживающего контура 73
3.1 Задача имитационного моделирования навигационных измерений и выбор имитационной среды 73
3.2 Моделирование первичных оценок координат навигационного приемника 75
3.2.1 Анализ измерений навигационного приемника для выбора модели ошибок 75
3.2.2 Метод формирующего фильтра для моделирования первичных оценок координат 80
3.3 Моделирование фазовых приращений координат навигационного приемника 86
3.3.1 Анализ ошибок приращений фазовых измерений 86
3.3.2 Применение Винеровского процесса для моделирования ошибок приращений координат 90
3.4 Имитационное моделирование с использованием алгоритмов обработки первичных измерений 92
3.5 Анализ результатов имитационного моделирования 95
Выводы по главе 3 100
Глава 4 Экспериментальное исследование сглаживающих фильтров 102
4.1 Методика проведения натурных экспериментов 102
4.2 Постановка экспериментов для оценки точности местоопределения. 104
4.2.1 Статические эксперименты 104
4.2.2 Кинематические эксперименты 107
4.3 Результаты экспериментов по оценке ошибок местоопределения 110
4.3.1 Результаты статических экспериментов 111
4.3.2 Результаты кинематических экспериментов 118
4.4. Постановка и результаты экспериментального исследования работы модифицированного ФК для фильтрации направления движения объекта 120
Выводы по Главе 4
Заключение 124
Список использованных источников 127
- Режимы работы приемника при использовании глобальных навигационных спутниковых систем
- Использование фильтра Калмана для совместной обработки навигационных измерений
- Метод формирующего фильтра для моделирования первичных оценок координат
- Постановка и результаты экспериментального исследования работы модифицированного ФК для фильтрации направления движения объекта
Введение к работе
Работа посвящена исследованию методов повышения 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 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. 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 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, 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 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 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
-
-
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.
-
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.
-
-
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.
-
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 Системс. 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.
Режимы работы приемника при использовании глобальных навигационных спутниковых систем
Второй тип системных ошибок связан с неточностью передаваемой информации о местоположении НКА. При формировании эфемеридной информации учитывается множество факторов, влияющих на изменение траектории орбит НКА, но модель не позволяет с абсолютной точностью определить текущее положение НКА, что вносит дополнительную ошибку при определении местоположения потребителя.
Наиболее существенный вклад в ошибку навигационных измерений вносят ошибки, связанные с распространением сигнала в атмосфере Земли, а именно в ионосферных и тропосферных ее слоях. Ионосфера Земли представляет собой слой заряженных частиц на высоте от 120 до 200 км. Эти частицы снижают скорость распространения сигнала, и, следовательно, увеличивают его время прохождения от НКА до НАП и соответственно вносится ошибка в оценку этого расстояния. Указанные задержки могут быть смоделированы для разного времени суток, усреднены и внесены в измерения, но не могут точно отобразить реальную ситуацию. После прохождения ионосферного слоя, навигационный сигнал попадает в тропосферный слой, в котором присутствуют водяные пары, также влияющие на скорость распространения сигнала. Ионосферная задержка частично (до 50%) компенсируется с помощью модели Клобучара, параметры которой передаются также в составе эфемерид [7, 8]. Влияние тропосферы существенно меньшее и исключается с помощью модели, которая обычно выбирается потребителем из множества заложенных в аппаратуру моделей, например, широко используются модели Саастомойнена или Хопфилда [12, 13]. Кроме того, для борьбы с задержками используют поправочную информацию. Корректирующие поправки передаются с помощью геостационарных спутников SBAS, что позволяет повысить точность местоопределения. Ошибки, порождаемые возникновением переотраженных сигналов, также относятся к категории ошибок, связанных с распространением навигационного сигнала. Такие ошибки возникают из-за переотражения навигационного сигнала от близкорасположенных объектов - зданий, металлических конструкций, деревьев и т.п. [9, 14, 15]. В результате этого эффекта время распространения отраженных сигналов превышает время распространения «прямого» сигнала. Различают «быструю» и «медленную» многолучёвость. Быстрая многолучёвость связана с быстрым изменением фазы отражённого сигнала и возникает при резком изменении расстояния от отражающей поверхности или характера окружающей среды. Например, рядом с приёмником проехал автомобиль. Ошибку, порождаемую быстрой многолучёвостью, можно считать гауссовой случайной величиной с нулевым математическим ожиданием и дисперсией, характеризующей максимальную ошибку, порождаемую многолучёвостью. Медленная многолучёвость связана с медленным измерением задержки отражённого сигнала и возникает, когда приёмник находится в статике относительно отражающей поверхности.
Влияние переотраженных сигналов на кодовые и фазовые измерения различно. На практике ошибки фазовой многолучёвости составляют порядка 2 см [14, 15, 18]. Кодовая многолучёвость даёт большую ошибку, которая зависит от многих факторов и может достигать до 10 м. [14, 15, 18] в современных профессиональных навигационных приемниках.
Ошибка приемной аппаратуры связана с возникновением «шумов» в антенной системе НАП и, во многом, определяются качеством используемой элементной базы НАП. Шумовые ошибки, наряду с другими источниками ошибок, оказывают существенное влияние на точность местоопределения в режиме абсолютной навигации.
При кодовых измерениях уход часов спутника относительно системного времени аппроксимируется полиномом второй степени и учитывается в измерениях. Коэффициенты полинома передаются в эфемеридах. Ошибки измерения кодовых координат в режиме абсолютной навигации обычно достигают десятка метров, поэтому данный режим называют «грубым» режимом. Для увеличения точности определения местоположения были разработаны и внедрены режимы дифференциальной навигации [6, 15].
Дифференциальное местоопределение производится относительно другой точки, обычно с точно известными координатами, и требует наличия еще одного навигационного приемника, находящегося в этой точке (так называемой базовой станции), и канала передачи корректирующей информации. Во время измерений базовая станция обычно неподвижна. Потребитель может быть как неподвижным, так и движущимся. Базовый навигационный приемник, принимает и обрабатывает сигналы от НКА. Результаты этих измерений передаются потребителю на подвижный навигационный приемник, координаты которого необходимо определить. 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 ДН, основанный на измерениях псевдодальностей, называют кодовым дифференциальным режимом (в англоязычной литературе Differential GPS - DGPS). Он позволяет достигать метровой точности местоопределения. Используя только кодовые измерения даже в режиме дифференциального местоопределения, не представляется возможным решение высокоточных навигационных задач с ошибками на уровне единиц сантиметров.
Для дальнейшего увеличения точности ДН необходимо использовать также и измерения по фазе несущей частоты. Измеряя фазу несущей частоты сигнала, полученного от НКА на базовой станции и сравнивая ее с фазой несущей от того же НКА, измеренной на подвижном приемнике, можно достичь ошибок определения относительных координат составляющих всего лишь несколько процентов от длины волны несущего колебания. Однако для этого требуется произвести разрешение неоднозначностей фазовых измерений по каждому НКА. Дифференциальный режим работы по фазовым измерениям в реальном времени - режим Real Time Kinematic (RTK), обеспечивает сантиметровую точность местоопределения, что является приемлемым для большинства современных приложений [6, 15]. Фазовый дифференциальный режим измерений является высокоточным режимом работы навигационного приемника.
Повышение надежности навигационного решения в режиме ДН может быть достигнуто при использовании двухчастотных приемников, которые принимают сигнал от НКА в двух диапазонах (L1 и L2) и соответственно измеряют фазы на двух частотах fl и f2, что позволяет вносить поправки на ионосферную задержку и облегчает разрешение неоднозначности.
Использование фильтра Калмана для совместной обработки навигационных измерений
При выполнении оценки навигационного решения, накладываются требования на качество данной оценки. При этом применяется статистическая теория [36]. Согласно статистической теории, параметрами, характеризующими качество решения по критерию точности, являются: - среднее смещение (математическое ожидание) ошибок оценки, т.е. если математическое ожидание оценки и самой оцениваемой величины равны, оценка считается несмещенной, в противном случае оценивается математическое ожидание ошибки оценки процесса; - дисперсия ошибок полученной оценки.
Однако существуют приложения для навигационных приемников, где применение точностного критерия является недостаточным для оценки качества навигационных решений. Это приложения, в которых не критична точность абсолютного местоопределения, а важно, чтобы ошибка оцениваемой величины менялась как можно медленней. Примером такого приложения может служить сельское хозяйство, когда оператору сельскохозяйственной техники необходимо совершать параллельные друг другу проезды, то есть иметь высокую точность «от проезда к проезду». При этом точность абсолютного местоопределения не представляет для пользователя большого интереса.
Для оценки качества навигационных решений в таких задачах точностной критерий не всегда является достаточным, так как по значениям математического ожидания и дисперсии ошибки оценки координат, можно оценить точность абсолютного местоопределения, а пользователю важно знать, насколько медленно меняется ошибка определения координат. Поэтому для таких приложений в работе предлагается использовать критерий гладкости. 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.
Таким образом, можно сформулировать определение качества оценки по критерию гладкости - оценка, имеющая наименьшую дисперсию первой производной по времени от реализации своей ошибки, является наилучшей по критерию гладкости. Для проведения анализа навигационных решений далее в работе использованы критерий гладкости и критерий точности.
Фильтр Калмана (2.1.16 - 2.1.20) для совместной фильтрации первичных оценок координат навигационного приемника и фазовых приращений координат хотя и является оптимальным по критерию точности (минимизация математического ожидания и дисперсии ошибок оценивания), но трудоемок при практическом использовании и при некоторых условиях и допущениях может быть упрощен. В уравнениях (2.1.16 - 2.1.20) предполагалось, что ошибка первичных оценок координат (2.1.9) меняется во времени. Если предположить, что ошибки оценивания фазовых приращения координат с помощью МНК и ошибки первичных оценок координат имеют постоянные статистические характеристики (СКО и математическое ожидание), можно не оценивать медленно меняющиеся ошибки координатных измерений. Это упрощает реализацию ФК, что обусловлено уменьшением вектора состояния -не оценивается величина єх к. При этом ФК сохраняет все свои характеристики при условии постоянных или слабо изменяющихся статистических характеристик ошибок. Поэтому в данном случае для координаты х вектор состояния будет состоять только из самого значения координаты х, и таким образом, уравнения фильтра (2.1.16 - 2.1.20) можно записать не в матричном, а в скалярном виде. При этом матрица состояния Ф и матрица наблюдений Н для одной координаты будут состоять всего лишь из одного элемента, равного единице.
Коэффициент фильтра (2.1.18) при сделанных допущениях является числом, назовем его а , и рассчитывается исходя из начальных заданных значений вторых центральных моментов оценки координат. Матрицы вторых центральных моментов для экстраполированной оценки (2.1.19) и для конечной оценки координаты х (2.1.20) при этом состоят из одного элемента, показывающего точность полученного решения. Далее записаны уравнения фильтра с учетом сделанных допущений:
Формулы (2.1.21 - 2.1.24) описывают сглаживающий фильтр первичных оценок координат с целеуказаниями от фазовых приращений координат. Здесь фильтр записан для одной координаты, но аналогичным образом записывается и для остальных координат.
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 поведения реального процесса и поведения фазовых приращений 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 анализируются несколько вариантов совместных сглаживающих фильтров, в том числе основанных на использовании ФК, описываемого формулами (2.1.21 - 2.1.24), в условиях смены режима работы приемника.
Метод формирующего фильтра для моделирования первичных оценок координат
Имитационное моделирование является составной частью математического моделирования и актуально для класса объектов, для которых не существует аналитических моделей, либо не разработаны методы решения полученной модели [45, 46].
Целью имитационного моделирования навигационных измерений и первичных оценок координат в данной работе является проверка работоспособности сглаживающих фильтров, набор статистики для оценки показателей качества исследуемых алгоритмов, выбор настроек и анализ по заданным критериям рассматриваемых фильтров для сглаживания первичных оценок координат при изменении режимов работы навигационного приемника.
Задача определения настроек рассматриваемых фильтров, решается путем оценки и сравнения статистических показателей при разных настройках алгоритмов.
При моделировании любой системы или процесса, в том числе и навигационных измерений, необходимо в модели с высокой достоверностью воспроизвести поведение процесса и провести статистическое моделирование с последующей обработкой результатов. Навигационные измерения и первичные оценки координат приемника содержат в себе различные ошибки. Успешное моделирование первичных оценок координат навигационного приемника в разных режимах работы зависит от глубокого и наиболее полного анализа остаточных ошибок местоопределения, которые можно уменьшить с помощью рассматриваемых сглаживающих фильтров, и их поведения во времени. Выполненный анализ позволил выбрать случайный процесс, с помощью которого возможно получение наиболее близкого к реальности поведения моделируемой величины. Для реализации имитационной модели также необходимо выбрать некоторый математический пакет или имитационную среду. В качестве имитационной среды был выбран математический пакет MATLAB, так как он включает в себя множество функций, в том числе и функции для статистического анализа данных, а также позволяет пользователю быстро создавать программы и представлять результаты в удобном графическом виде.
Создание имитационной модели также актуально перед проведением натурных экспериментов на реальной системе, так как моделирование может еще на этапе проектирования или проверки системы выявить ее недостатки и позволит сделать необходимые выводы. Результаты имитационного моделирования работы стохастической системы являются реализациями случайных величин или процессов. Поэтому для определения характеристик системы требуется набор необходимой статистики и последующая обработка данных. В этом случае применяется разновидность имитационного моделирования - статистическое моделирование (или метод Монте-Карло), т.е. воспроизведение в моделях случайных процессов и т.д. [47]. Согласно [48], суть имитационного моделирования состоит в следующем: - воспроизведение с необходимой достоверностью поведения отдельных элементов системы в процессе реализации её функций; - накопление статистических данных о поведении элементов; - статистическая обработка этих данных для получения количественных оценок и законов распределения оцениваемых показателей качества. Таким образом, для проведения имитационного моделирования определены его порядок проведения и выбрана имитационная среда. Согласно положениям глав 1 и 2, первичные оценки координат навигационного приемника в разных режимах работы имеют различные показатели точности и надежности. В каждом режиме превалируют свои составляющие ошибок, и они по-разному реагируют на изменение условий окружающей среды. Поэтому при моделировании первичных оценок координат необходимо рассмотреть последовательно несколько режимов работы навигационного приемника и задаться статистическими характеристиками для каждого режима. В работе рассмотрены сглаживающие фильтры, упомянутые в подразделе 2.1.5 главы 2, для улучшения точностных характеристик координат при случайной смене следующих режимов работы навигационного приемника: - режим абсолютного автономного местоопределения (Stand Alone); - режим кодового дифференциального местоопределения (DGPS); - режим фазового дифференциального местоопределения (RTK). Эти режимы широко известны и принцип их работы описан в литературе. Режим абсолютного местоопределения основан на использовании измерений псевдодальностей (ПД) для решения навигационной задачи и определения местоположения навигационного приемника. Ошибки навигационного решения в данном режиме работы являются ошибками определения ПД от НКА до навигационного приемника. Для выбора модели ошибок режима абсолютного местоопределения рассмотрен вклад различных ошибок в измерения ПД. Для этого записана математическая модель измерений ПД для j-ro НКА на k-ый момент времени.
Постановка и результаты экспериментального исследования работы модифицированного ФК для фильтрации направления движения объекта
Для экспериментального исследования характеристик местоопределения в статическом и кинематическом положении навигационного приемника была разработана методика проведения экспериментов.
Для оценки точностных характеристик первичных и сглаженных оценок координат необходимо в режиме статичного местоопределения знать с высокой точностью (меньше 1 см.) координаты опорной точки, где находится навигационный приемник.
При проведении кинематических экспериментов для оценки качества местоопределения необходимо иметь опорную траекторию, относительно которой рассчитываются ошибки. Получение высокоточного эталона в кинематике представляется сложной задачей и существует несколько способов для получения опорной траектории с различной точностью. В качестве метода, обеспечивающего опорную траекторию и удовлетворяющего ценовым и точностным критериям, в рамках выполнения данной работы при проведении кинематических экспериментов был выбран режим фазового дифференциального местоопределения. Навигационные решения фазового дифференциального режима при наличии базовой станции в пределах нескольких километров от подвижного приемника при хороших условиях местоопределения имеют ошибку с СКО порядка 1 см. [4, 6, 7, 8].
Однако при работе в фазовом дифференциальном режиме местоопределения существует вероятность возникновения ложных фиксированных решений, часто являющихся следствием аномальных ошибок. Чтобы уменьшить вероятность возникновения аномальных ошибок, кинематические эксперименты проводились в хороших условиях, при наличии в зоне видимости большого количество НКА. Для борьбы с ошибкой в фазовых измерениях, порождаемой многолучевостью, при проведении экспериментов был использован фазовый антимноголучевый строб, позволяющий достаточно эффективно бороться с медленной составляющей такой ошибки [18, 50]. Таким образом, навигационное решение при работе приемника в фазовом дифференциальном режиме было принято за опорную траекторию при проведении кинематических экспериментов.
Первичные оценки координат приемника в условиях непреднамеренного переключения режима работы были обработаны с помощью разработанной программы (Приложение 2), реализующей выбранный в главе 3 по результатам имитационного моделирования нелинейный адаптивный фильтр.
Для выбора порога по скорости в горизонтальной плоскости, который используется для фиксации угла направления движения при остановке объекта необходимо провести экспериментальное исследование. При этом первичная оценка направления движения обрабатывается с помощью модифицированного ФК, описанного в главе 2. Значение порога по скорости зависит от точности измерений скорости. В профессиональных навигационных приемниках СКО оценок скорости составляет порядка 0,02 м/с. В статическом положении приемника шумовая ошибка определения скорости может достигать величины 3 СКО или 0,06 -0,07 м/с.
Исходя из этих данных, в работе выбран порог по скорости равным 0,07 м/с. Для проверки выбранного значения порога по скорости было проведено экспериментальное исследование по разработанной методике. Был задан сценарий движения объекта на малой скорости и остановка объекта. Затем была оценена ошибка определения угла направления движения. Для данных экспериментов использовался имитатор спутниковых навигационных сигналов Spirent GSS7700. Данный имитатор, согласно [61], позволяет задавать необходимый для данного эксперимента сценарий движения и записывать эталонное значение направления движения.
При постановке статических экспериментов был использован профессиональный навигационный приемник компании Топкон Позишионинг Системе модели NET-G3. Для проведения статических экспериментов приемник был подключен к антенне, находящейся на крыше здания офиса компании Топкон Позишионинг Системе. Координаты антенны априорно известны с необходимой точностью и относительно этих опорных координат оценивается качество местоопределения по критерию точности и гладкости. Приемник был подключен к персональному компьютеру (ПК) для подачи команд управления и к базовому приемнику для приема дифференциальных коррекций. Была разработана схема подключения приемника и обмена информацией между приемником и ПК, схема представлена на рисунке 4.1.
Опорные координаты используемой антенны (антенна А) в геоцентрической системе координат
Для организации режимов дифференциальной навигации были взяты измерения приемника, подключенного к другой антенне (антенна Б), расположенной на крыше одного из корпусов института МАИ. Данный приемник выступал в качестве базовой станции и передавал свои измерения через Ethernet в сообщениях стандарта RTCM 3 [62, 63].
Похожие диссертации на Повышение точности местоопределения приемника сигналов ГНСС при изменении режима работы
-
-
