Содержание к диссертации
Введение
1. Обзор технологий обработки и анализа GPS-данных 15
1.1 Функционирование навигационной системы GPS 15
1.1.1 Назначение, состав и принцип действия навигационной системы GPS 15
1.1.2 Способы определения координат 19
1.1.3 Погрешности определения координат (точностные характеристики) 23
1.1.4 Особенности дифференциального режима 31
1.1.5 Области применения системы GPS 34
1.2 Особенности обработки данных GPS-приемников 38
1.2.1 Методы обработки данных GPS-измерений 38
1.2.2 Формат RINEX как основа информационного обмена данными 44
1.2.3 Обзор программного обеспечения обработки и анализа данных GPS-приемников 47
1.3 Глобальная сеть двухчастотных GPS-приемников 50
2. Комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных многоканальных GPS-приемников 54
2.1 Концепция системы обработки, структура и функционирование программного комплекса 54
2.1.1 Анализ информационных потоков 54
2.1.2 Стадии разработки информационных систем 55
2.1.3 Состав и формирование требований к программному комплексу 58
2.2 База данных GPS-измерений 61
2.2.1 Архитектура систем баз данных 61
2.2.2 Реляционная модель данных 63
2.2.3 Язык SQL 64
2.2.4. Обоснование и выбор СУБД программного комплекса 65
2.2.5 Структура базы данных программного комплекса 67
2.3 Реализация программного комплекса обработки и анализа данных... 70
2.3.1 Первичная обработка данных 70
2.3.1.1 Цель и задачи первичной обработки данных 70
2.3.1.2 Алгоритм первичной обработки 71
2.3.1.3 Программа TEQC 74
2.3.1.4 Сценарии обработки наязыке Perl 76
2.3.2 Вторичная обработка данных 80
2.3.2.1 Основные принципы и задачи вторичной обработки данных 80
2.3.2.2 Возможности и особенности использования системы MatLab 81
2.3.2.3 Особенности работы с m-файлами сценариев (функций) 82
2.3.2.4 Механизм взаимодействия с базой данных 84
2.3.3 Алгоритмы и модули вторичной обработки данных 86
2.3.3.1 Модуль COMPACT-load 86
2.3.3.2 Модуль скользящих функций 89
2.3.3.3 Алгоритм вычисления геодезических координат проекции подионосферной точки 94
2.4 Выводы по второй главе 96
3. Тестирование комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных двухчастотных GPS-приемников 97
3.1 Обработка и анализ данных на примере постоянно-действующей GPS-станции ULAZ 97
3.1.1 Структура и функционирование постоянно-действующей GPS- станции ULAZ 97
3.1.1.1 Структура GPS-станции ULAZ 97
3.1.1.2 Характеристики двухчастотного GPS-приемника ASHTECHZ -101
3.1.1.3 Банк данных GPS-измерений (1999-2003 г.г.) 104
3.1.2 Обработка результатов измерений банка данных ULAZ 106
3.1.2.1 Статистика и результаты первичной обработки данных 106
3.1.2.2 Результаты вторичной обработки суточных данных 109
3.1.3 Обсуждение результатов 114
3.2 Обработка данных приемников GPS-решетки на примере сети японских GPS-станций 119
3.2.1 Структура и состав GPS-решетки 119
3.2.2 Первичная обработка данных сети GPS-станций 120
3.2.3 Вторичная обработка данных сети GPS-станций 121
3.2.4 Обсуждение результатов 134
3.3 Применение вейвлетов для анализа данных двухчастотных GPS- приемников 135
3.3.1 Особенности вейвлет-анализа данных двухчастотных GPS-приемников 135
3.3.2 Фильтрация навигационных сигналов 139
3.3.3 Частотно-временное представление сигналов 141
.3.4 Выводы по третьей главе 142
Заключение 143
- Назначение, состав и принцип действия навигационной системы GPS
- Состав и формирование требований к программному комплексу
- Особенности работы с m-файлами сценариев (функций)
- Характеристики двухчастотного GPS-приемника ASHTECHZ
Введение к работе
Актуальность темы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) характеризуются охватом всего Земного шара и ближнего околоземного космического пространства и отсутствием ограничений по числу обслуживаемых потребителей. СРНС обеспечивают точное трехмерное определение координат и вектора скорости подвижных объектов в реальном масштабе времени вне зависимости от их географического положения, времени и метеорологических условий.
В настоящее время происходит интенсивное освоение и применение СРНС GPS (США) и ГЛОНАСС (Россия) в различных отраслях народного хозяйства и, в частности, на железнодорожном транспорте [70]. Аппаратура СРНС, позволяющая определять координаты и скорость движения локомотива, может в комплексе с соответствующими средствами связи стать основой для построения центров управления перевозками, работающими в реальном масштабе времени. Возможности СРНС ГЛОНАСС/GPS позволяют проводить мониторинг состояния железнодорожных путей и сооружений, осуществлять контроль свободности участков пути и решать другие транспортные задачи.
В рамках Федеральной целевой программы «Глобальная навигационная система» (Постановление Правительства РФ от 20 августа 2001г. № 587) [72] в интересах железнодорожного транспорта предусматривается повышение безопасности, точности и оперативности координатно-временных определений, а также создание дифференциальных подсистем для решения целого ряда задач (навигация подвижных объектов, высокоточная привязка при геодезическом обеспечении строительства и текущего содержания железнодорожных путей, мостов и тоннелей).
Такие широкие перспективы использования СРНС приводят к необходимости детального изучения информационных параметров самих систем спутниковой навигации, в том числе надежности их функционирования и помехозащищенности, особенно при их эксплуатации в экстремальных
10 условиях, например, во время сильных геомагнитных возмущений. Качество функционирования СРНС ГЛОНАСС/GPS ограничивается влиянием ряда факторов, связанных с характеристиками среды распространения радиоволн. Технологии на основе СРНС входят в «Перечень основных проблем развития железнодорожного транспорта для первоочередного финансирования научных исследований (приложение № 1 к указанию МПС России от 26.12.02 № Я-1272у, позиция 5.4.). Разработка физических и математических моделей учета влияния среды на транспортные системы также входит в этот Перечень (позиция 11.6).
Объем информации, получаемый в результате тематической обработки данных GPS-приемников, постоянно увеличивается, поэтому на первый план выходят задачи ее анализа, оптимизации и структуризации. Существующее программное обеспечение (как коммерческое, так и бесплатное) обработки данных GPS-приемников нацелено на решение узкоспециализированных задач. Вопрос о создании системы обработки спутниковой информации при проведении исследований с использованием СРНС в интересах железнодорожного транспорта остается открытым. Требуется решить взаимосвязанный круг задач от организации структуры экспериментальных данных до алгоритмов и методов обработки и анализа полученной информации. Адаптация же существующих решений сопоставима с разработкой программного обеспечения с нуля.
Целью диссертационной работы является создание комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников для оценки точности, надежности и эффективности функционирования системы GPS на железнодорожном транспорте.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие задачи:
1. Провести анализ имеющихся подходов и программных средств,
используемых для обработки данных GPS-приемников.
Разработать концепцию программного комплекса, на основе информационных потоков выявить структуру приложения и формы представления данных.
Реализовать комплексную систему: провести обоснование и выбор аппаратно-программной платформы, спроектировать базу данных, разработать алгоритмы и программные модули для тематической обработки информации.
Провести тестирование и оценить характеристики программного комплекса на основе обработки и анализа цифрового банка данных спутниковых измерений постоянно-действующей GPS-станции ULAZ.
Определить точностные характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ в кодовом и фазовом режимах измерений за продолжительный период времени двухчастотным многоканальным GPS-приемником ASHTECH Z-FX.
На основе вейвлет-анализа определить пространственно-временные характеристики крупномасштабных ионосферных возмущений при сильных сейсмических событиях.
Научная новизна работы заключается в следующем:
Предложена, разработана и реализована комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных многоканальных двухчастотных GPS-приемников.
На основе вейвлет-анализа предложен новый метод детектирования ионосферных возмущений, позволяющий оценить эффективность функционирования системы GPS во время различных геофизических событий (землетрясения, магнитные бури и т.п.).
Создан проблемно-ориентированный инструмент для анализа работы системы GPS (ГЛОНАСС), позволяющий повысить надежность и качество эксплуатации технических средств железнодорожного транспорта, использующих СРНС, в экстремальных геофизических условиях.
Разработан способ хранения и управления информацией навигационных искусственных спутников Земли (ИСЗ) на основе системы управления базами данных (СУБД) MySQL, позволяющий оптимизировать информационные потоки, а также компьютерные методы обработки, предназначенные для визуализации, трансформации и анализа спутниковой информации, получаемой с помощью GPS-приемников.
На основе разработанных методов, алгоритмов и программ получены точностные характеристики пространственных параметров реперной точки ULAZ; определены пространственно-временные характеристики крупномасштабных возмущений среднеширотной ионосферы во время «роя» сильных землетрясений 23 октября 2004 года в Японии. Достоверность полученных результатов, подтверждается
тестированием алгоритмов и программ, физическим обоснованием предложенных методов, их проверкой вычислительными экспериментами и представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах результаты находятся в качественном и количественном согласии с данными независимых исследований, опубликованными ранее другими авторами.
Практическая ценность работы. Разработанная методика и
программный комплекс использованы при выполнении НИР
«Совершенствование технологии высокоточного спутникового
позиционирования (GPS-ГЛОНАСС) для объектов железнодорожного транспорта с учетом космической погоды» (ИрГУПС, 2004). Созданная на основе цифрового банка данных постоянно-действующей GPS-станции ULAZ база данных представляет собой уникальный материал для геодинамических, геофизических и радиофизических исследований, поскольку сеть GPS-приемников в этом регионе практически отсутствует, а ближайшие пункты наблюдений находятся в г. Красноярске, Иркутске и Якутске. Разработанные в диссертации концепция, алгоритмы и методы, а также программы-модули могут использоваться при разработке специального математического и
13 программного обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации СРНС.
Личный вклад автора. Основные результаты диссертации являются оригинальными и получены лично автором. Автору принадлежит разработка концепции комплексной системы, проведение анализа предметной области, построение модели программного комплекса, проектирование структуры БД, определение тактико-технических требований к программному комплексу и разработка технических решений для их реализации, включая обоснование и выбор аппаратно-программной платформы и написание комплекта типовых сценариев, модулей и подпрограмм. Сравнение результатов первичной и вторичной обработки комплексной системы с результатами, полученными другими программными средствами и тестирование на примере обработки и анализа цифрового банка данных GPS-станции ULAZ (около 3 Гб архивной информации), а также сети японских GPS-станций.
На защиту выносятся следующие положения и результаты:
Алгоритмы и методы, составляющие основу комплексной системы обработки и анализа спутниковой информации, получаемой с помощью GPS-приемников.
Метод детектирования ионосферных возмущений на основе вейвлет-анализа данных сети GPS-станций для оценки эффективности функционирования системы GPS при различных геофизических событиях.
Результаты системного анализа спутниковой информации, полученной за период с июля 1999 по декабрь 2003 г. двухчастотным GPS-приемником ASHTECH Z-FX, на основе цифрового банка данных станции ULAZ.
Апробация работы. Основные результаты работы докладывались и обсуждались на:
Всероссийской научно-технической конференции «Новые Материалы и Технологии» (Москва, 2002, 2004);
. 2003 International Symposium on GPS/GNSS: Technical Session of 2003
Joint International Conference on GPS/GNSS in Tokyo (Токио, 2003:
участие поддержано грантом Российского Фонда Фундаментальных
Исследований № 03-07-93545);
III Международной научной конференции творческой молодежи (Хабаровск, 2003);
Международной научно-технической конференции «Наука и образование» (Мурманск, 2004);
II Международной научно-технической конференции «Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт» (Тобольск, 2004);
Всероссийской научной конференции студентов, аспирантов и молодых ученых «Наука. Технологии. Инновации» (Новосибирск, 2004).
Межвузовской научно-технической конференции молодых ученых, аспирантов и студентов «Современные проблемы радиоэлектроники» (Иркутск, 2005).
Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех глав, заключения и библиографического указателя, содержащего 140 наименований литературных источников. Общий объем диссертации — 171 страница, включая 9 таблиц, 47 рисунков и 6 приложений на 11 страницах.
Назначение, состав и принцип действия навигационной системы GPS
Особенность построения СРНС заключается в том, что координаты любого подвижного объекта можно определить по радиосигналам навигационных ИСЗ. Для этого необходимо знать их точное положение в пространстве. Поэтому в излучаемых ИСЗ радиосигналах содержится информация о текущих координатах (эфемериды), которые определяются наземными станциями слежения и контроля. Траектории движения ИСЗ проходят по опорным орбитам и подчиняются законам небесной механики, однако из-за сопротивления атмосферы, влияния аномалий гравитационного поля Земли, солнечного ветра и других факторов фактическое движение ИСЗ отклоняется от расчетного. С помощью системы слежения и контроля периодически уточняется местоположение ИСЗ, прогнозируется их движение, после чего эфемеридная информация по радиоканалу передается на бортовую ЭВМ навигационных ИСЗ [77]. Таким образом, для нормального функционирования и поддержки СРНС требуются значительные материальные затраты. В настоящее время для использования доступны лишь две системы - российская ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) [73] и американская GPS (Global Positioning System - Глобальная Система Позиционирования) [107].
В состав GPS входят созвездие ИСЗ (космический сегмент), сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления) и собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей). Космический сегмент GPS номинально состоит из 24 спутников, обращающихся вокруг Земли в шести орбитальных плоскостях. Форма орбит близка к круговой, с высотой над поверхностью Земли порядка 20 000 км и периодом обращения около 12 ч. Наклонение орбиты относительно экватора 55. Такое количество и расположение спутников обеспечивает в любой точке поверхности Земли прием радионавигационных сигналов от 4 до 11 ИСЗ. Текущее состояние группировки GPS приведено в приложении 1.
На каждом навигационном ИСЗ установлены два атомных генератора частоты (цезиевый и рубидиевый), служащих для генерирования частот L] = 1575,42 МГц и L2 = 1227,60 МГц (длины волн соответственно 19 и 24 см) и меток времени. Для посылки сигналов потребителям имеется радиопередатчик мощностью 50 Вт. Кроме того, имеются бортовой приёмник для приёма информации от наземного комплекса управления, вычислительный процессор, солнечные батареи-аккумуляторы, система ориентации и коррекции орбиты.
Спутник излучает синусоидальные сигналы на частотах Li и Ьг, модулированные кодовыми последовательностями и навигационным сообщением. Сигнал на частоте L\ модулирован Р-кодом (Protected, т.е. санкционированного доступа) и С/А-кодом (Coarse Acquisition, т.е. свободного доступа), а на частоте L2 - только Р-кодом [118].
Код свободного доступа С/А представляет собой псевдослучайный код Голда с частотой следования импульсов (chips) 1,023 МГц и периодом повторения 0,001 с, поэтому его декодирование в приемнике осуществляется достаточно просто. Однако точность местоопределения с его помощью невысока. Защищенный Р-код характеризуется частотой следования импульсов 10,23 МГц и периодом повторения 7 суток. Кроме того, раз в неделю происходит смена этого кода на всех спутниках. Поэтому до недавнего времени измерения по Р-коду могли выполнять только пользователи, получившие разрешение Министерства обороны США. Американское оборонное ведомство предприняло меры дополнительной защиты Р-кода: в любой момент без предупреждения может быть включен режим AS (And Spoofing). При этом выполняется дополнительное кодирование Р-кода, и он превращается в Y-код. Расшифровка Y-кода возможна только аппаратно, с использованием специальной микросхемы (криптографического ключа), которая устанавливается непосредственно в GPS-приемнике. Кроме того, для снижения точности определения координат несанкционированными пользователями предусмотрен так называемый "Избирательный Доступ" SA (Selective Availability). При включении этого режима в навигационное сообщение намеренно вводится ложная информация о поправках к системному времени и орбитах ИСЗ, что приводит к снижению точности навигационных определений примерно в 3 раза. В настоящее время SA режим отключен по решению правительства США от 1 мая 2000 г [127].
Поскольку Р-код передается на двух частотах (Li и L2), а С/А-код - на одной (L]), в GPS-приемниках, работающих по Р-коду, частично компенсируется ошибка задержки сигнала в ионосфере, которая зависит от частоты сигнала. Точность автономного определения расстояния по Р-коду примерно на порядок выше, чем по С/А-коду. Данные, содержащиеся в навигационном сообщении, включают: параметры орбиты ИСЗ, позволяющие вычислить на любой момент прямоугольные геоцентрические координаты спутника X , Y\ Z \ поправку времени спутникового генератора частоты относительно времени системы GPS и всемирного времени (UTC); коэффициенты уравнения для вычисления ионосферной поправки в результаты измерений. Навигационные сообщения спутников, позволяющие определять их координаты, разделяются на два вида: эфемеридные, или оперативные данные и данные альманаха (календаря). Эфемеридные данные позволяют вычислять точное местоположение спутника, которое далее используется для определения координат потребителя. Каждый спутник передает свои эфемеридные данные. Помимо эфемерид со всех спутников системы передаются данные альманаха. Они также позволяют определять местоположение спутника, но с гораздо меньшей точностью. Данные альманаха применяются для решения вспомогательных задач в аппаратуре потребителя: определение спутников, находящихся в зоне видимости, вычисление целеуказаний аппаратуре для облегчения вхождения в связь и т.д. Каждый спутник передает данные альманаха обо всех спутниках системы, в том числе и о себе. В аппаратуре потребителя (GPS-приемнике) принимаемый сигнал декодируется, т.е. из него выделяются кодовые последовательности С/А либо С/А и Р, а также служебная информация. После захвата сигнала спутника аппаратура приемника переводится в режим слежения, т.е. поддерживается синхронизация между принимаемым и опорным сигналами. Процедура синхронизации может выполняться по: С/А-коду (одночастотный кодовый приемник); Р-коду (двухчастотный кодовый приемник); С/А-коду и фазе несущего сигнала (одночастотный фазовый приемник), Р-коду и фазе несущего сигнала (двухчастотный фазовый приемник). Способ синхронизации сигналов является одной из важнейших характеристик GPS-приемника.
Состав и формирование требований к программному комплексу
В мире существует глобальная сеть GPS-станций, состоящая из двухчастотных приемников, проводящих измерения с высокой точностью [78]. Они работают непрерывно и ежесуточно передают RINEX-файлы в центры обработки данных и далее в глобальные центры хранения. Центры хранения представляют собой ftp-серверы, к которым открыт публичный доступ через сеть Internet. Любой пользователь может «скачать» RINEX-файл и использовать его для своих нужд. Общий объем накопленных данных на сервере SOP АС [136] (наблюдения ведутся с 1990 года) превышает 5 Тбайт. Поэтому получение необходимой информации становится трудоемким процессом, особенно при большом количестве рабочих GPS-станций, так как ftp-сервер не предоставляет каких-либо средств для поиска, сортировки или выборки данных. Кроме того, для получения больших объемов информации в разумные сроки, необходимы широкополосные каналы доступа в Internet. Основой разработанного программного комплекса является база данных под управлением реляционной СУБД. База данных (БД) выступает в роли централизованного хранилища результатов GPS-измерений, полученных из RJNEX-файлов. Она может размещаться как на локальном, так и удаленном веб-сервере сети Internet. Таким образом, информация становится доступной группе пользователей, работающей с различными приложениями в независимости от их местонахождения (см. рис.2.1).
В случае локального размещения БД, доступ к информации организуется для исследовательской группы в рамках рабочего проекта (например, локальная сеть GPS-станций мониторинга протяженного железнодорожного тоннеля). В случае удаленного размещения БД, доступ к базе возможен из любой точки Земного шара, а исследования могут носить глобальный (фундаментальный) характер. Ключевым моментом является организация структуры базы данных. Отмечено, что RINEX-файлы являются по сути «контейнерами» для хранения информации. Все необходимые для обработки величины (углы и азимуты ИСЗ, координаты потребителя, значения ПЭС и др.) вычисляются по RINEX-файлам, и в дальнейшем RINEX-файлы уже не используются. Различные программные продукты используют свои собственные форматы файлов для хранения полученных результатов. Например, пакет GAMIT использует свыше 24(!) типов промежуточных файлов, что создает неудобства при проведении масштабных исследований [124]. Возможности файловой системы ограничены и исследователю приходится продумывать способы хранения и организации экспериментальных данных, о чем, кстати, разработчики GAMIT честно предупреждают в документации. В свою очередь, СУБД предоставляет эффективный способ обработки и управления информацией в сравнении с файловой системой. Поэтому в работе предложено хранить всю информацию в базе данных, более того, только те параметры, которые действительно необходимы пользователю.
На стороне пользователя установлено специальное ПО (например, САЕ-система [24, 36] или среда MatLab [137]), с помощью которого производятся все необходимые расчеты, обработка и анализ данных с привлечением дополнительных модулей и библиотек. Помимо вышесказанного, основными требованиями к программному комплексу явились: уменьшение количества ручной работы при первичной обработке данных (желательно максимально автоматизировать этот этап); сокращение времени обработки данных; визуальное (наглядное) представление результатов исследований; возможность последующего расширения для решения новых прикладных исследовательских задач; минимизация финансовых затрат на создание и сопровождение; использование стандартной аппаратно-программной платформы. С учетом всех этих условий программный комплекс реализован на аппаратной платформе Intel под управлением операционной системы Windows ХР. Для управления базой данных выбрана СУБД MySQL [64, 65], а при написании программных модулей использовался язык программирования Perl [120]. Оба эти продукта поддерживают лицензию GNU, что снижает затраты на внедрение, кроме того, наличие исходных кодов этих продуктов позволяет не зависеть от конкретной фирмы-разработчика. В качестве платформы для вторичной обработки данных на стороне пользователя выбрана среда MatLab [35], которая является мощным инструментом научно-технических расчетов. Наличие встроенного языка программирования, а также большого количества сторонних разработок (модулей) позволяет реализовать практические любые прикладные задачи. Группы функций, выполняющие определенную работу, вынесены в отдельные файлы (сценарии), разделяя, таким образом, программный комплекс на модули. Модульная структура позволяет наращивать комплекс и расширять его функциональность путем разработки новых модулей по мере освоения новых исследовательских задач.
Особенности работы с m-файлами сценариев (функций)
В настоящее время системы компьютерной математики интенсивно развиваются как передовое научное направление [35]. Наибольшую известность получили системы MatLab [137], Mathcad [36], Mathematica [1], Maple [33, 63] и ряд других. На рынке программного обеспечения система MatLab (разработка корпорации Math Works, I nc.) п озиционируется как язык высокого уровня для проведения научно-технических расчетов и интерактивная среда для анализа данных, разработки алгоритмов и приложений. Возможность программирования сложных задач и практически неограниченного расширения системы сделала MatLab весьма почитаемой системой в университетах и крупных научных учреждениях. Более того, система MatLab является лидирующей на предприятиях военно-промышленного комплекса, аэрокосмической отрасли и автомобилестроения. Использование MatLab открывает широчайшие возможности реализации новых алгоритмов вычислений, численных методов и методик расчета и проектирования различных систем и устройств. Пакеты расширения системы (Toolbox) вобрали в себя эффективные средства новых направлений науки и техники, таких как нейронные сети, нечеткая логика, средства анализа и обработки сигналов и изображений (включая вейвлет-анализ), цифровая фильтрация (DSP), средства анализа, идентификации и моделирования систем и многое другое [68].
Язык программирования системы MatLab вобрал в себя все средства, необходимые для реализации различных видов программирования: процедурного; операторного; функционального; логического; структурного (модульного); объектно-ориентированного; визуально-ориентированного. В основе процедурного, операторного и функционального типов программирования лежат процедуры, операторы и функции, используемые как основные объекты языка. Эти типы объектов присутствуют в MatLab. Логическое программирование реализуется в MatLab с помощью логических операторов и функций. Это позволяет реализовать основные идеи логического программирования. Система MatLab представляет собой яркий пример структурного программирования. Подавляющее большинство функций и команд языка являются вполне законченными модулями, обмен данными происходит через их входные параметры, хотя возможен обмен информацией и через глобальные переменные. Программные модули оформлены в виде текстовых т-файлов, которые хранятся на диске и подключаются к программам по мере необходимости. Важно отметить, что в отличие от многих языков программирования, применение тех или иных модулей не требует предварительного объявления, а для создания и отладки самостоятельных модулей имеются все необходимые средства. Подавляющее большинство команд и функций системы MatLab поставляется в виде таких модулей. Широко представлено в системе и объектно-ориентированное программирование, что особенно актуально при программировании задач графики. Что качается визуально-ориентированного программирования, то в MatLab оно представлено, в основном, в пакете моделирования заданных блоками устройств и систем Simulink. Программами в системе MatLab являются m-файлы текстового формата, содержащие запись программ в виде программных кодов. Язык программирования системы MatLab имеет следующие средства: данные различного типа; константы и переменные; операторы, включая операторы математических выражений; встроенные команды и функции; функции пользователя; управляющие структуры; системные операторы и функции; средства расширения языка. Коды программ в системе MatLab пишутся на языке высокого уровня, достаточно понятном для пользователей умеренной квалификации в области программирования. Язык программирования MatLab является типичным интерпретатором. Это означает, что каждая инструкция программы распознается и тут же исполняется, что облегчает обеспечение диалогового режима общения с системой. Этап компиляции всех инструкций, т. е. полной программы, отсутствует. Высокая скорость выполнения программ обеспечивается за счет наличия откомпилированного ядра, хранящего все критичные по скорости выполнения инструкции, а также тщательной отработкой системы контроля синтаксиса программ в режиме интерпретации.
Интерпретация означает, что MatLab не создает исполняемых конечных программ. Они существуют лишь в виде текстовых т-файлов. Для выполнения таких программ необходима среда MatLab. Однако для программ на языке MatLab созданы специальные компиляторы, транслирующие программы MatLab в коды языков программирования С и C++ [2]. Это решает задачу создания исполняемых программ, первоначально разрабатываемых в среде MatLab. Компиляторы для системы MatLab являются вполне самостоятельными программными средствами.
Следует особо отметить, что не все инструкции MatLab могут компилироваться, поэтому перед компиляцией программы нуждаются в некоторой доработке. Однако скорость выполнения откомпилированных программ порой возрастает в 10-15 раз (правда, это достигается, как правило, для простых примеров с большими циклами).
Характеристики двухчастотного GPS-приемника ASHTECHZ
Ядром существующей системы является двухчастотный GPS приемник ASHTECH-Z-FX CORS (также известный как ASHTECH Z-12), работающий под управлением программного обеспечения Geodetic Base Station Software (GBSS) [101]. Характеристики приемника ASHTECH Z-12 приведены в табл. 3.1. Приемник круглосуточно записывает данные GPS-наблюдений для постобработки с интервалом 30 секунд в специальном бинарном формате (двоичный формат «сырых» данных). Продолжительность одного файла данных составляет 24 часа, после чего он архивируется и помещается в локальный банк данных. В среднем размер одного несжатого файла наблюдений составляет приблизительно 2,5 Мб. Программное обеспечение Geodetic Base Station Software позволяет проводить все необходимые операции по настройке, запуску и эксплуатации базовой станции с удаленного компьютера, подключенного к Internet, удаленный доступ производится с помощью программы Remote Connect.
На рис.3.4 приведено основное рабочее окно ПО GBSS, которое отражает запись данных GPS-приемником во время сессии наблюдения. После соответствующей настройки программное обеспечение записывает информацию, поступающую с GPS-приемника, в автоматическом режиме без участия человека. Схожим образом работают удаленные пункты GPS-наблюдений (например, на Камчатке [138]), результаты измерений по каналам связи передаются в координационный центр для вторичной обработки и анализа. Программное обеспечение приемника также отображает информацию о видимости GPS спутников, отношении сигнал/шум по частоте L1 и L2, азимут и высоту над горизонтом для каждого наблюдаемого спутника, текущие координаты в системе WGS-84, регистрируемые в настоящее время файлы и многое другое. GPS приемник может комплектоваться встроенным УКВ радиомодемом с возможностью программирования до 20 частотных каналов (диапазон между каналами 20 МГц) для работы в режиме DGPS. Это позволяет исключить дополнительное внешнее радиооборудование и соединения, увеличивая устойчивость аппаратуры к внешним воздействиям и уменьшая вес комплекта. Помимо этого, можно использовать внешние GSM радиомодемы для передачи дифференциальных поправок.
Следует учитывать тот факт, что радиомодем должен быть настроен на передачу в конкретном диапазоне, официально разрешенном для использования. Для служб Восточно-Сибирской железной дороги выделены радиочастоты УКВ диапазона (152-156 МГц). на диске
На опорной GPS-станции ULAZ, оборудованной приемником ASHTECH Z-12, за период с 1999 по 2003 г.г. получен цифровой банк данных спутниковых измерений. Банк данных представляет собой уникальный материал для исследований, поскольку сеть GPS-приемников в этом регионе практически отсутствует, а ближайшие пункты наблюдений находятся в Иркутске (IRKT) и Якутске (YAKT). GPS-приемник базовой станции работает в непрерывном режиме наблюдений (исключая кратковременные отключения во время профилактического осмотра). Общая статистика по банку данных станции ULAZ приведена в табл. 3.2. При этом учитывались только «сырые» (необработанные) данные, предварительно сжатые в ZIP архивы.
В банке данных отсутствует ряд дней, что связано с профилактическими работами на станции ULAZ, кроме того, некоторые файлы записей GPS-измерений оказались неполными или поврежденными (причины неизвестны) и были исключены из статистики и, соответственно, обработки. Таким образом, суммарный объем накопленной «сырой» архивной информации составляет порядка 3 Гб. Данные хранятся на жестком диске рабочей станции и оптических носителях информации (CD-ROM).
Структура имен файлов записей GPS-измерений приведенная на рис.3.5 отличается от общепринятой. Первая буква В имени файла обозначает тип файла данных. При проведении измерений GPS-приемник ASHTECH Z-12 создает три основных типа файлов данных [121]:
B-file (Binary data) - «сырые» данные спутниковых измерений в двоичном формате, содержащие фазу несущей и кода; координаты приемника, рассчитанные для каждого отсчета, а так же специальные флаги для контроля целостности измерений;
