Содержание к диссертации
Введение
1. Выбор и обоснование методов, принципов и технических решений ретрансляции сигналов глобальных навигационных спутниковых систем для обеспечения процессов управления МЧС России 15
1.1 Принцип ретрансляции сигналов и его использование в спутниковой радионавигации для обеспечения процессов управления МЧС России 15
1.2 Анализ методов ретрансляции сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS 61
1.3 Время первой фиксации и время на перезахват повторной синхронизации сигналов 75
1.4 Принципы и технические решения ретрансляции сигналов глобальных навигационных спутниковых систем 76
1.5 Особенности ретрансляции сигналов глобальных навигационных систем с частотным разделением 87
1.6 Выбор полосы частот для ретрансляции сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС 89
2 Разработка методов обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов пожарной охраны МЧС России 92
2.1 Дальномерные методы определения координат при использовании ретранслированных сигналов 92
2.2 Доплеровские методы определения скорости и координат при использовании ретранслированных сигналов 99
2.3 Определение координат доплеровскими методами 103
2.4 Совместное использование прямых и ретранслированных сигналов навигационных космических аппаратов 106
2.5 Прием ретранслированных сигналов на несколько наземный измерительный пункт 106
2.6 Сравнительный анализ способов определения координат по прямым и ретранслированным сигналам глобальных навигационных спутниковых систем 108
3 Методологические основы построения локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России и особенности их применения 113
3.1 Варианты организации и построения наземных систем на базе ретрансляторов 113
3.2 Использование навигационных систем на базе псевдоспутников в подразделениях пожарной охраны МЧС России 124
3.3 Основные направления применения навигационных систем на базе псевдоспутников при позиционировании подразделений пожарной охраны МЧС России 132
3.4 Проблемы возникающие при использовании псевдоспутников 138
3.5 Методы повышения значений характеристик при местоопределении в помещениях зданий и сооружений потенциально-опасных объектов промышленности 141
4 Разработка локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России в закрытых помещениях потенциально-опасных объектов промышленности 178
4.1 Назначение систем позиционирования в закрытых помещениях потенциально-опасных объектов и варианты их реализации 178
4.2 Источники ошибок в системах позиционирования в закрытых помещениях потенциально-опасных объектов 184
4.3 Методы локализации основанные на радиочастотной идентификации 194
4.4 Сверхширокополосные сигналы и особенности их использования 203
4.5 Модели сверхширокополосных каналов 206
4.6 Предварительный расчет мощностных и точностных
параметров 210
4.7 Расчет уровня мощности передатчика в зависимости от максимального расстояния до приемника 212
4.8 Моделирование сигнала псевдоспутника с учетом переотражений радиоволн 213
4.9 Исследование влияния многолучевости распространения радиоволн на точность позиционирования подразделений пожарной охраны в закрытых помещениях потенциально- опасных объектов 214
5 Методические рекомендации по разработке макета псевдоспутника локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны в закрытых помещениях потенциально-опасных объектов с ретрансляцией сигналов глобальной навигационной системы ГЛОНАСС 220
5.1 Общие положения 220
5.2 Анализ требований к навигационному радиосигналу, формируемому макетом псевдоспутника 221
5.3 Расчет радиолинии и выбор условий относительного размещения макетов псевдоспутника и навигационной аппаратуры потребителя 224
5.4 Обеспечение требований к макету псевдоспутника 227
5.5 Выбор элементной базы макета псевдоспутника 244
5.6 Метрологическое обеспечение макета псевдоспутника 245
5.7 Выбор элементной базы макета навигационной аппаратуры потребителя обработки сигналов глобальных навигационных спутниковых систем и псевдоспутника 249
5.8 Схема, порядок и предварительная программа проведения натурного эксперимента с использованием макета псевдоспутника 240
Список использованных источников 260
- Анализ методов ретрансляции сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS
- Доплеровские методы определения скорости и координат при использовании ретранслированных сигналов
- Основные направления применения навигационных систем на базе псевдоспутников при позиционировании подразделений пожарной охраны МЧС России
- Источники ошибок в системах позиционирования в закрытых помещениях потенциально-опасных объектов
Введение к работе
Актуальность: Современные действия МЧС России характеризуются решительностью целей, высокой динамичностью и маневренностью сил, широким применением новых технических средств. В настоящее время состояние и перспективы развития системы управления являются важнейшим показателем готовности МЧС России, уровня их организационного и технического совершенства. Повышение качества, совершенствование форм, методов и организационных структур управления невозможно без использования последних достижений науки и техники, автоматизации всех основных управленческих процессов. Основным направлением совершенствования управления является широкое использование глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС) в составе систем мониторинга и навигации.
Глобальная навигационная система (ГНС) ГЛОНАСС, являясь национальным достоянием России, в ходе своего развития и совершенствования становится основой координатно-временного обеспечения нашего государства. Одновременно с мероприятиями по модернизации космической группировки ведутся работы по развитию наземного сегмента системы, в том числе средства функционального дополнения ГНСС.
Существует широкий спектр задач координатно-временного и навигационного обеспечения для подразделений МЧС России, условий и областей применения навигационных технологий, в которых определения координат места и времени по ГНС ГЛОНАСС невозможны или имеются высокие риски их срыва. В первую очередь это касается случаев затенений и отсутствия видимости навигационных космических аппаратов (сложный рельеф местности, городская застройка, тоннели, закрытые помещения, подводная и подземная среда), а также сложной электромагнитной обстановки, характерной для локальных зон и обусловленной радиопомехами индустриального и природного происхождения.
Отсутствие резервных по отношению к системе ГЛОНАСС (и другим ГНСС) средств в указанных выше экстремальных условиях создает предпосылки для снижения безопасности транспортных операций и оперативности выполнения поисково-спасательных работ, сохранит риски в проведении других критически важных мероприятий.
В соответствии с Концепцией федеральной целевой программы «Поддержание, развитие и использование системы ГЛОНАСС на 2012–2020 годы» (ФЦП «ГЛОНАСС-2020») предполагается развитие дополнительных подсистем, расширяющих свойства систем мониторинга мобильных объектов при неблагоприятных условиях наблюдения. Одной из таких подсистем является локальная система позиционирования. Своевременность создания предлагаемых средств определяется тем, что их серийное производство и внедрение в эксплуатацию может быть увязано по времени с обновлением орбитальной группировки системы ГЛОНАСС космическими аппаратами «Глонасс-К» и введением новых навигационных сигналов с кодовым разделением.
Несмотря на внушительный научный задел в указанной области исследований, методологические основы построения локальных систем позиционирования и применения ее в структуре системы управления МЧС России в настоящее время не разработаны и находятся в стадии становления. Тем не менее, для создания таких основ сложились объективные предпосылки, к числу которых следует отнести: формирование общей концепции единого информационно-функционального пространства органов управления МЧС России; наличие обширного арсенала средств и технологий, обеспечивающих работу мобильных пользователей в информационно-телекоммуникационных сетях.
В совокупности это определяет актуальность темы настоящего диссертационного исследования, в котором рассмотрена проблема, имеющая значение для предупреждения и ликвидации последствий чрезвычайных ситуаций природного и техногенного характера. В ходе исследования обосновывались и выбирались рациональные методы, принципы и технические решения по созданию локальных систем позиционирования на основе ретрансляции сигналов ГНС ГЛОНАСС.
Таким образом, диссертационная работа, посвященная методологии создания локальных систем позиционирования на основе ретрансляции сигналов ГНС с помощью псевдоспутников (ПС), в интересах обеспечения действий подразделений пожарной охраны МЧС России, является актуальной.
Цель диссертационного исследования состоит в совершенствовании систем мониторинга и навигации подразделений пожарной охраны МЧС России.
Проблема диссертационного исследования определяется несоответствием между существующим и требуемым положением дел в области навигационно-информационного обеспечения органов управления пожарной охраны МЧС России.
Решаемая в диссертации научная проблема - разработка методологических основ построения локальных систем позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России, применение которых позволит разрешить противоречие между потребностями должностных лиц органов управления МЧС в своевременном получении информации о позиционировании объектов в динамически изменяющейся обстановке и ограниченными возможностями существующей системы мониторинга и навигации.
Решению поставленной проблемы посвящена общая научная задача диссертации – разработка прикладной теории управления процессами и объектами в Государственной противопожарной службе (ГПС) МЧС России.
Для достижения сформулированной цели поставлены следующие основные задачи.
-
Анализ технологий мониторинга и прогнозирования чрезвычайных ситуаций (ЧС), задач управления в системе МЧС России, отражающих состояние вопроса по использованию систем с ретрансляцией навигационных данных и навигационных систем на базе псевдоспутников.
-
Разработка алгоритмов обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов.
-
Обоснование принципов разработки и применения навигационных систем на базе псевдоспутников в интересах управления подразделениями пожарной охраны МЧС России.
-
Разработка предложений и организационно-технических решений по проведению натурного эксперимента с использованием псевдоспутников для решения навигационной задачи.
Объект исследования: Системы мониторинга и навигации подразделений пожарной охраны МЧС России.
Предмет исследования: методы позиционирования мобильных объектов на основе обработки ретранслированных сигналов ГНС.
Методы исследования: при выполнении работы применялись методы ретрансляции данных и измерительной информации, псевдодальномерные и радиально-скоростной методы измерения, методы ретрансляции навигационных данных для построения ретрансляторов для сигналов ГНСС с кодовым разделением, методы математического моделирования, теория вероятностей, теория сверхширокополосной технологии обработки сигнала, теория распространения сигналов в закрытых помещениях.
В ходе исследования обосновывались и выбирались рациональные методы, принципы и технические решения по созданию локальных систем позиционирования на основе ретрансляции сигналов ГНС ГЛОНАСС.
Результатами диссертационного исследования, полученными автором лично и выносимыми на защиту в форме научных положений, являются следующие:
-
Системные особенности ретрансляции сигналов ГНС ГЛОНАСС и особенностей распространения радиоволн различных частотных диапазонов в условиях прямой видимости и затенений от объектов искусственного и естественного происхождения.
-
Методы обработки ретранслированных сигналов для определения координат мобильных объектов пожарной охраны МЧС России.
-
Методологические принципы построения и применения локальной системы позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России с применением ретрансляторов на основе псевдоспутников.
-
Методика разработки макета системы позиционирования с ретрансляцией сигналов ГНС ГЛОНАСС на базе псевдоспутников для подразделений пожарной охраны МЧС России и проведение натурных экспериментов для решения навигационных задач.
Научная новизна. Новизна работы заключается в том, что автор впервые разработал и обосновал методологию применения радиотехнических систем позиционирования подразделениями пожарной охраны МЧС России в закрытых помещениях. При этом к ключевым научным вопросам, исследованным в диссертации, следует отнести:
– выбор и обоснование критерия эффективности локальных систем позиционирования в решении задач ГПС МЧС России;
– анализ влияния эффекта многолучевости на точность определения места в закрытых помещениях и путей его компенсации;
– обоснование технических требований к системам позиционирования со стороны ГПС МЧС России;
– рекомендации по практической реализации разработанных методов и методик.
Теоретическая и практическая значимость полученных результатов определяется острой необходимостью построения локальных систем позиционирования, их применения в структуре системы управления МЧС России и заключается в развитии высокоточных и экономичных средств поддержки системы ГЛОНАСС, обеспечивающих локальную поддержку её пользователей в зонах ответственных применений ГНСС, в совершенствовании научно-методического аппарата создания локальных систем позиционирования подразделений пожарной охраны МЧС России на основе псевдоспутников – выработке конкретных практических рекомендаций по моделированию и исследованию таких систем, во внедрении научных результатов в практическую деятельность профильных научно-исследовательских и производственных организаций, в возможности расширения разработанных средств на другие практические приложения и другие области применения.
Реализация. Результаты диссертационного исследования реализованы в следующих организациях: Институт проблем транспорта имени Н.С. Соломенко РАН, ЗАО «Аргус-Спектр», ООО Научно-производственное предприятие «Спецпроект».
Научные результаты и разработанные в рамках диссертационного исследования: модели, методы и алгоритмы внедрены в учебный процесс Санкт-Петербургского университета Государственной противопожарной службы МЧС России и Военно-морского института радиоэлектроники им. А.С. Попова (филиал ВУНЦ ВМФ «ВМА»).
Результаты диссертационного исследования могут быть использованы в опытно-конструкторских работах «Ретранслятор» и «Псевдоспутник», включенных в перечень мероприятий проекта ФЦП «ГЛОНАСС-2020».
Достоверность основных научных результатов диссертации обеспечивается: корректной постановкой и проведением исследования, правильным использованием системного подхода при анализе предметной области, корректным применением апробированного научно-методического аппарата, непротиворечивостью результатов экспертным оценкам и результатам других исследований.
Достоверность научных результатов подтверждается: достаточной апробацией основных положений диссертации, внедрением результатов диссертационных исследований в научно-исследовательские и опытно-конструкторские работы.
Обоснованность научных результатов определяется строгой аргументацией основных положений и выводов, доказательным и корректным использованием апробированных методов исследований, точным соответствием разработанных моделей требованиям руководящих документов.
Апробация работы. Результаты диссертационного исследования докладывались на десяти международных и шести общероссийских научно-практических конференциях.
Публикации. По теме диссертации опубликовано 47 работ, в том числе 1 монография, 11 статей в ведущих рецензируемых научных журналах и изданиях из перечня ВАК, 35 сообщения в материалах научных конференций, научных журналах и сборниках научных трудов.
Объем и структура работы. Работа состоит из введения, пяти глав и заключения общим объемом 280 страниц, включая список литературы, 62 рисунка, 17 таблиц.
Анализ методов ретрансляции сигналов спутниковых навигационных систем ГЛОНАСС и GPS
По имеющимся информационным материалам на настоящее время в США выполнен и продолжает выполняться ряд программ по созданию систем с использованием ГНСС GPS для полигонных испытаний.
При этом следует отметить следующие общие черты их построения, развития и функционирования: - реализация системы на базе имеющихся полигонов с максимальным использованием имеющихся средств измерений в комплексе с новыми техническими решениями, предоставляемыми ГНСС; - поэтапное развертывание систем по мере разработки и модернизации аппаратуры, предназначенной для использования как на борту испытываемых объектов, так и в контрольно-измерительном комплексе; - постоянное совершенствование аппаратуры системы в направлении увеличения точности определения траекторий объектов и расширения номенклатуры средств, контролируемых с высокой точностью; - высокая степень унификации вновь разрабатываемых и ранее использовавшихся технических решений и методов обработки. К наиболее заметным системам указанного типа относятся следующие. Система SATRACK [6] предназначена для полигонных испытаний межконтинентальных баллистических ракет (МБР) подводных лодок TRIDENT. Разработки начаты в 1974 г. по программе повышения точности МБР. Система SATRACK основана на приеме сигналов НКА бортовой аппаратурой МБР, их частотном преобразовании и ретрансляции на пункты приема с наложением на них телеметрической информации. Положение и скорость пунктов приема могут быть неизвестны, что делает возможным их реализацию и в мобильном варианте. Последнее обстоятельство обеспечивает испытания МБР, запускаемых в любых точках акватории океана, что особенно важно для выявления влияния местных гравитационных аномалий на точность пусков.
На первом этапе использования системы в 1978 г. по результатам 50 пусков была достигнута точность определения компонент положения и скорости (1а) соответственно 12 м и 0,015 м/с. Дальнейшее совершенствование аппаратуры SATRACK и GPS позволило снизить ошибки получения навигационных параметров МБР до 0,6 м и 0,003 м/с.
Система GPS/SMILS предназначена для определения точек падения головных частей (ГЧ) МБР в ходе их испытаний и основана на приеме акустических сигналов, возникающих при входе ГЧ в воду с помощью акустических буев, преобразовании этих сигналов аппаратурой буя и передачи их на борт патрулирующего самолета. В состав группы буев, включающей до 15 единиц, предназначенных для измерения скорости звука в воде, ее температуры и других данных, включаются буи GTD, содержащие цифровые ретрансляторы сигналов НКА GPS. Сигналы буев принимаются на борту патрулирующего самолета типа BOEING 707, где с помощью многоканального цифрового устройства отслеживаются сигналы НКА, переизлучаемые всеми буями типа GTD. По результатам такого слежения определяется положение буев GTD. В свою очередь, буи GTD генерируют акустические сигналы, которые принимаются другими буями и передаются на борт самолета, где определяется относительное положение всех буев относительно буев GTD, координаты которых определены по НКА GPS. Буй типа GTD представляет собой цилиндр диаметром около 12 см и длиной порядка 84 см.
Цифровой ретранслятор, включающий в свой состав и командный приемник для управления буем с самолета, расположен в средней части цилиндра и имеет длину порядка 18 см. Питание цифрового ретранслятора, а также акустической аппаратуры, осуществляется с помощью аккумуляторных батарей. Среднеквадратическая погрешность определения положения буев по результатам испытаний составила около 10 м. В режиме относительных измерений эта погрешность была около 3 м.
Система TSPI [7] предполагает обоснование, разработку, создание и испытание унифицированного комплекса средств, основанных на использовании ГНСС GPS для испытаний разнообразных подвижных средств ВВС, ВМФ и Армии США.
Область действия системы простирается от поверхности Земли до высот низкоорбитальных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Система обеспечивает возможность испытания в глобальном масштабе неограниченного числа подвижных средств. Серийное производство аппаратуры начато в 1987 г. Вследствие использования для проведения испытаний в течение 20 лет нескольких тысяч комплектов бортовой аппаратуры с уменьшением на этой основе числа наземных станций, привлекаемых к испытаниям, предполагается сэкономить до двух миллиардов долларов.
Унифицированный набор бортовой аппаратуры испытываемых объектов включает: - комплект для объектов с низкой динамикой движения LDIS, предназначенный для пехоты в ранцевом исполнении, наземных подвижных средств и кораблей средних размеров; - комплект HDIS1 для высокодинамичных объектов типа самолетов, вертолетов и беспилотных летательных аппаратов (БПЛА) больших размеров; - комплект HDIS2 малых размеров для ракет и малых БПЛА; - ретрансляторы малой LPT и большой НРТ мощности для испытания ракет. Работа осуществляется по сигналам частоты L1 и коду С/А. В отличие от ретрансляторов, комплекты HDIS и LDIS представляют собой аппаратуру с различным числом каналов, по числу одновременно наблюдаемых НКА, которая обеспечивает измерение навигационных параметров, их обработку, с целью навигационных определений и передачу их результатов на наземные приемные станции. На основе комплекта HDIS разработана аппаратура в контейнерном исполнении для размещения на различных испытываемых средствах, содержащую дополнительно к HDIS инерциальную навигационную систему, цифровые запоминающие устройства и приемопередатчик для связи с наземной станцией. Наземная станция оборудована помимо аппаратуры для обмена информацией с бортовой аппаратурой дополнительным комплектом НАП для обеспечения дифференциального режима определений по сигналам ГНСС GPS. Навигационные определения могут осуществляться в режиме оценивания их в реальном времени с использованием информации не только от НКА, но и от различных внешних устройств: псевдоспутников, инерциальной системы, высотомера, наземного контрольного приемника, вырабатывающего дифференциальные поправки и других. Среднеквадратические погрешности определения геоцентрических декартовых компонент положения и скорости испытываемого средства при размещении на его борту НАП GPS составили:
Доплеровские методы определения скорости и координат при использовании ретранслированных сигналов
Основным содержанием навигационной задачи (НЗ) в ГНСС является определение вектора состояния потребителя. В качестве компонент этого вектора обычно рассматривают пространственные координаты x,y,z
потребителя, временная поправка тп шкалы времени потребителя, относительно системной шкалы, а также составляющие вектора скорости х, y,z . Существенно, что перечисленные величины не могут быть непосредственно измерены радиотехническими методами. Поэтому в НАП ГНСС реализован косвенный метод: измеряются некоторые параметры принятого радиосигнала - время его прихода t , фаза (р или разность фаз Ар, доплеровский сдвиг частоты FR , которым сопоставляются функционально связанные с ними величины: дальность R до НКА, его радиальная скорость Vr, разность дальностей AR до нескольких НКА, угол визирования ф, угловая скорость Q и т.п., по которым и рассчитываются искомые компоненты вектора состояния.
Измеряемые в интересах решения навигационной задачи параметры радиосигнала получили название радионавигационных параметров (РНП), а сопоставляемые им параметры вектора состояния потребителя -навигационных параметров (НП). Соответствующие функциональные зависимости между ними получили название навигационных функций. Точку в пространстве, относительно которой производится измерение НП или РНП, в радионавигации принято называть опорной радионавигационной точкой.
Очевидно, что вектор состояния потребителя может быть полностью определен, если его мерность не превышает числа независимых измерений РНП. В системах ГЛОНАСС и GPS используются в основном дальномерный (псевдодальномерный) и радиально-скоростной методы измерений. В качестве подвижных ОРНТ используются НКА. В этом случае радионавигационными параметрами являются время распространения (задержка) г сигнала на трассе «ЇЖА - потребитель» и доплеровское смещение частоты (ДСЧ) Fd.
Соответствующая им дальность «НКА-потребитель» R или радиальная скорость потребителя относительно НКА Vr - являются навигационными параметрами, а связывающие их навигационные функции в данном случае имеют вид: R = CT , Vr = Fd IX. В общем случае вид навигационных функций определяется многими факторами: видом НП, параметрами движения НКА и потребителя, выбранной системой координат и т. д. Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением навигационного параметра называют поверхностью положения. Пересечение двух поверхностей положения определяет линию положения, т.е. геометрическое место точек, соответствующих двум значениям двух навигационных параметров. Местоположение потребителя определяется координатами точки пересечения трех поверхностей положения или двух линий положения. Если, из-за неоднозначности измерений, линии положения пересекаются более чем в одной точке, то необходимо использовать дополнительную поверхность положения или априорную информацию, позволяющую отфильтровать истинное положение от ложных. В качестве основных позиционных методов определения координат в ГНСС второго поколения в НАП обычно используются псевдодальномерный или разностно-дальномерныи методы, а для получения составляющих вектора скорости потребителя применяют псевдорадиально-скоростной (псевдодоплеровский) метод. Использование более простого дальномерного метода навигационных определений нецелесообразно из-за отсутствия в большинстве моделей НАП ГНСС компактных и дешевых высокостабильных эталонов времени (частоты). Использование ретрансляции сигналов НКА расширяет число позиционных методов, подходящих для решения НЗ, по сравнению с традиционными методами решения задач координатно-временных определений в ГНСС. Применение других методов становится возможным по двум основным причинам: - за счет измерений относительно новых ОРНТ, в качестве которых могут использоваться несколько НИП с известными координатами; - за счет использования особенностей движения ретранслятора относительно НИП. Очевидно, что основными методами для решения НЗ по ретранслированным сигналам НКА ГНСС останутся различные варианты дальномерных измерений. При ретрансляции сигналов ГНСС в качестве НП, соответствующих временным задержкам радиосигналов, могут быть использованы для обработки следующие величины: псевдодальности, суммы псевдодальностей «НКА - Р» и «Р - НИП» и разности псевдодальностей или разности сумм псевдодальностей. В результате решения соответствующих навигационных уравнений могут быть получены компоненты вектора положения испытываемого средства (т.е. ретранслятора), а, при необходимости, и временной интервал, равный сумме расхождения шкал времени НКА, НИП и задержки сигнала в ретрансляторе. Рассмотрим вначале возможные навигационные функции указанных выше РНП для определения координат отдельно по прямым и отдельно по ретранслированным сигналам НКА ГНСС.
Основные направления применения навигационных систем на базе псевдоспутников при позиционировании подразделений пожарной охраны МЧС России
При исследовании областей применения навигационных систем на базе псевдоспутников, отмечается, что такие системы предназначены не для широкого массового рынка, а для профессионального использования [46].
Анализ доступных источников информации по вопросам применения псевдоспутников в качестве систем обеспечения высокоточной навигации на базе систем ГНСС, позволяет определить следующие основные перспективные направления [38, 45]:
Навигация мобильных объектов МЧС России в городских условия при наличии узких улиц с высотными зданиями. Упрощенная структура системы показана на рисунке 30. Антенна контрольной станции размещается в месте, позволяющем осуществлять надежный прием сигналов ГНСС, а псевдоспутники располагаются в пределах прямой видимости управляемого транспортного потока. В данном применении обеспечивается: - определение координат автомобиля с высокой точностью (до 10см); - отслеживание и регистрация работы водителя; - предоставление информации страховым компаниям; - передача информации о пробках на дорогах. 2. Навигация для горноспасательных подразделений МЧС России участвующих в ликвидации ЧС на горной местности; метрополитене; трюмах кораблей. Схема размещения оборудования такой системы показана на рисунке . В этом случае контрольная станция располагается с учетом возможности надежного приема сигналов ГНСС и в прямой видимости всех псевдоспутников. 3. Навигация подвижных объектов МЧС России внутри закрытых помещений зданий и сооружений потенциально-опасных объектов промышленности, тоннелей. Пример размещения аппаратуры в этом случае показан на рисунке 32. 4. Оснащение пожарных поездов бортовыми системами необходимо для достижения максимального уровня безопасности (рисунок 33). 5. Высокоточная навигация для нефтегазовых месторождениях и шельфов обеспечение посадки вертолетов МЧС России на нефтяные и газодобывающие платформы. 6. Отдельные сообщения касаются возможности создания перспективных локальных систем на базе псевдолитов для подразделений пожарной охраны и аварийно-спасательных формирований: локальные навигационные поля для навигации беспилотных летательных объектов и роботов специального применения, роботизированных комплексов пожаротушения (рисунок 34); система координатно-временного обеспечения боевых действий подразделений пожарной охраны МЧС России (рисунки 35) 7. Системы обеспечения навигации воздушных судов в ближней зоне аэропорта и точного захода на посадку были первыми системами с использованием псевдоспутников. Однако, в настоящее время информации об использовании псевдоспутников в этой области в доступных источниках информации не публиковалась. FAA США исключило из интерфейсного документа по системе LAAS (ICD, DO-246D, 12/16/2008, SC-159) требования к псевдоспутникам [47]. Один из вариантов архитектуры системы посадки самолетов с использованием псевдоспутников представлен на рисунке 36. 8. Исследования по использованию псевдоспутников в системах мониторинга состояния Земной коры и искусственных сооружений [48]. 9. Навигация судов в портах и узких проливах [49]. При реализации приема и обработки сигналов в навигационных системах с использованием псевдоспутников возникает ряд значительных проблем [38,45,52,53] наиболее актуальные из них две: - прием сигналов в условиях многократного отражения сигнала («многолучевости»); - снижение влияния одновременного приема ближнего (сигнала псевдоспутника) и дальнего сигнала (спутника). Кроме того, для дополнительного повышения устойчивости сигналов псевдоспутников к внешним помехам возможно решение дополнительных проблем, например: - увеличение длины псевдослучайной последовательности; - динамическое изменение кода; - скачки по частоте; - динамическое изменение мощности передатчика в зависимости от внешних условий; - управление направлением сигнала с помощью коммутируемых антенн и направленных антенн с механическим сканированием. Существует еще юридическая проблема - законность передачи псевдоспутниками сигналов в диапазоне L1/L2. Сигналы ГНСС интенсивно отражаются от поверхности земли, а также от разных близко расположенных сооружений (зданий, ограждений, специальных сооружений, от стен в помещении и т. п.), значительно ухудшая условия приема и отслеживания сигналов [38,52,53]. Методы ограничения влияния многолучевого распространения сигналов Для снижения влияния многолучевости в аппаратуре ГНСС используется, как правило, два дополняющих друг друга метода: - разработка соответствующих антенн; - дополнительные методы обработки сигнала. Решение проблемы за счет использования соответствующих антенн заключается в формировании необходимой диаграммы направленности антенны [54, 55]. В настоящее время чаще всего используются дроссельные антенны и антенны с ограничением приема сигналов многолучевого распространения (MLA-Multipath Limited Antenna). Дроссельная антенна ослабляет сигналы, отражающиеся от объектов, расположенных ниже антенны, но она не достаточно эффективна при ослаблении сигналов, отраженных от объектов, расположенных выше антенны (например, высотные здания и деревья). Имеющийся опыт показал, что MLA антенна с вертикальной поляризацией и резким изменением угла возвышения может быть использована в карьерных разработках и в протяженных каньонах. Для обработки сигналов псевдоспутника требуется изменение математического обеспечения приемника, рассчитанного на обработку сигналов спутников ГНСС.
При одновременном приеме сигналов псевдоспутника и сигналов спутников всё пространство в зоне действия псевдоспутника условно может быть разделено на три зоны: ближнюю, промежуточную и дальнюю [54, 56]. В пределах ближней зоны, расположенной непосредственно у псевдоспутника, уровень его сигналов значительно превосходит уровень сигналов спутников. Это приводит к перекрестным искажениям сигналов, принимаемых от других псевдоспутников или спутников ГНСС. В дальней зоне возникает обратная ситуация вследствие низкого уровня невозможен прием сигналов псевдоспутника, и только в промежуточной зоне, где мощности сигналов соизмеримы, возможен прием и сопровождение, как сигналов спутников, так и сигнала псевдоспутника.
Источники ошибок в системах позиционирования в закрытых помещениях потенциально-опасных объектов
Эффект многолучевости требует особого внимания при работе систем позиционирования в условиях плотной городской застройки или в закрытых помещениях. Данный эффект проявляется в том, что при наличии множества препятствий на приемник поступают множество отраженных от них сигналов. В результате этого сигналы обладают разными задержками и либо искажают исходный сигнал из-за интерференции, либо приводят к неправильной оценке расстояния между приемником и передатчиком. Если длина путей сигналов, которые отражаются от препятствий, превышает на десять метров длину пути прямого распространения сигнала, то эффект многолучевости может быть скомпенсирован за счет специальных методов обработки.
Выделяют три возможных последствия многолучевого распространения, которые могут исказить исходный сигнал. Первым является дифракция. Данное явление имеет место на границе объекта, размеры которого превышают длину волны сигнала и который является непроницаемым. При встрече сигнала с подобной границей происходит его рассеяние в различных направлениях, в результате чего сигналы достигают приемника даже в случае отсутствия прямой видимости между передатчиком и приемником. Следующим явлением служит отражение. Оно происходит тогда, когда сигнал сталкивается с поверхностью, превосходящей размерами длину волны сигнала. При отражении фаза высокочастотного заполнения сигнала изменяется на 180 градусов, результатом чего может являться полное подавление прямого сигнала. Если же сигнал встречается с объектом, размеры которого меньше длины волны, то происходит дробление сигнала, в результате чего образуется несколько сигналов, интенсивность которых значительно меньше исходного.
При использовании псевдолитов в системе позиционирования в закрытых помещениях эффект многолучевости имеет еще большее значение, поскольку количество потенциальных отражателей значительно возрастает. Выделяют два типа ошибок, обусловленных многолучевостью. К первой относят увеличение длины пути распространения сигнала за счет неоднократного отражения от потолка и стен помещений. Ко второму типу относят искажение исходного сигнала за счет интерференции с отраженными сигналами. Ошибки измерения дальности из-за многолучевости составляют порядка нескольких сантиметров при осуществлении измерений по фазе несущей и достигают порядка десятков метров при измерении по фазе кода.
Большой опыт в изучении эффекта многолучевости накоплен разработчиками и операторами телекоммуникационных систем. В частности интересны результаты исследовании компании Nanotron, которая в 2008 году объявила о выпуске новых микросхем NanoLOC, поддерживающих технологию NanoNET, но в то же время способных решать задачу определения местоположения приемопередатчика в пределах радиосети [121]. Задержка возникает в избирательных цепях приёмопередающих устройств. Полоса пропускания радиоканала NanoLOC составляет 20 МГц, поэтому задержка в них сигнала должна быть несколько десятков наносекунд в каждом. Требуемое время, необходимое для цифровой обработки сигналов может составлять десятки наносекунд. И, наконец, неопределённость фиксации максимума корреляционной функции в реальных экспериментах может достигать десятков наносекунд. Всё сказанное приводит к суммарной погрешности временных измерений, при этом каждые 10 не дают ошибку в определении расстояний в 3 метра. Максимальная мощность передатчика NanoLOC составляет 1 мВт.
Все эксперименты проводились в зеленой зоне на расстоянии около одного километра от населенной части города. Во всех экспериментах использовались радиомодули, состоящие из трансивера NanoLOC и управляющего микроконтроллера ATmega644. Микроконтроллер выступал как ведущее устройство на шине SPI, приемопередатчик — как ведомое.
Master-модуль был подключен к компьютеру по интерфейсу RS-232 со специально написанной программой для автоматизированного протоколирования результатов измерений, которые поступали в большинстве экспериментов раз в секунду. В файл протокола сохранялись номер эксперимента, номер измерения, текущие дата и время, реальное расстояние, измеренное с помощью рулетки или лазерного дальномера, а также результат измерения расстояния с помощью технологии NanoLOC. Выходная мощность радиосигнала составляла 1 мВт (0 дБм). Стационарный радиомодуль {Master) чаще всего закреплялся на деревянной подставке высотой 0,8 м, а мобильный (Slave) — на деревянном шесте длиной 1,8 м. Трансиверы были снабжены стандартными антеннами типа M04-S (1/2-волновый диполь, КСВ 2, поляризация линейная, коэффициент усиления 2,0 дБ).
Суть первого эксперимента состояла в измерении расстояний на открытом пространстве вблизи дорожного покрытия вдоль дороги с асфальтовым покрытием. Оба модуля были закреплены на шестах на высоте 1,5 м от поверхности дороги в прямой видимости друг друга. Стационарный модуль (Master) был подключен к компьютеру. Второй модуль (Slave) переносил вдоль дороги один из участников эксперимента.
На горизонтальной оси отмечено реальное расстояние в метрах, а на вертикальной — разница между измеренным с помощью NanoLOC и реальным (также в метрах): измеренное расстояние всегда превышает реальное вследствие применяемой технологии засечек времени распространения пакета. Каждая точка измерения дополнена 90% - ным доверительным интервалом для среднего значения. Первые три кривых были получены в разные дни для одной и той же пары модулей (Master - 1, Slave - 2), на остальных кривых модули Slave менялись.
Из графиков видно, что существует систематическая погрешность при измерении расстояний с помощью NanoLOC, которая находится в пределах 1-4 м, и случайная погрешность каждого измерения, которая находится в пределах ±80 см (90%-ный доверительный интервал) и практически не зависит от расстояния и применяемых модулей. Обнаружено, что систематическая погрешность измерений зависит от положений антенн, которые немного отличались от точки к точке и от эксперимента к эксперименту, что повлияло на кривые.
