Содержание к диссертации
Введение 8
Глава 1. Обработка кодовых измерений ГЛОНАСС/GPS в абсолютном режиме 13
1.1. Введение в теорию определения координат спутниковым навигационным
методом 13
1.1.1. Принцип определения координат спутниковым навигационным
методом 13
1.1.4. Принцип определения расстояний до спутников 21
Ошибки часов спутника 23
Ошибки вычисления орбит 24
Атмосферные ошибки: ионосферные и тропосферные задержки
сигнала 25
Многолучевость 27
Геометрический фактор ухудшения точности 29
1.3. Алгоритмы определения координат и коррекции часов спутников
ГЛОНАСС/GPS 31
Алгоритм определения координат спутника GPS на момент обсервации в системе WGS-84 31
Алгоритм определения координат спутников ГЛОНАСС в системе
ПЗ-90 38
1.3.3. Алгоритм преобразования общеземных координат между системами
WGS-84 и ПЗ-90 40
1.4. Алгоритм моделирования атмосферных задержек 42
Алгоритм моделирования ионосферы 42
Алгоритм моделирования тропосферы 45
Алгоритм определения координат потребителя по кодовым дальностям в абсолютном режиме 49
Алгоритм определения фактора понижения точности 53
Алгоритм перебора созвездий спутников для определения оптимального навигационного решения 57
Обобщенный алгоритм определения координат по кодовым дальностям в абсолютном режиме 59
Выводы к первой главе 62
2.1. Дифференциальный режим измерений по кодовым дальностям 65
2.1.1. Классификация современных дифференциальных систем
спутниковой навигации 68
2.2. Формат дифференциальных поправок RTCM 72
Сообщение RTCM3. Параметры базовой станции 78
Сообщение RTCM1. Дифференциальные коррекции кодовых дальностей для спутниковой системы GPS 80
Сообщение RTCM31. Дифференциальные коррекции кодовых дальностей для спутниковой системы ГЛОНАСС 84
2.3. Традиционные методы дифференцирования навигационного решения 90
Дифференцирование навигационного решения методом вторых кодовых разностей 94
Статистическая оценка метода дифференцирования по вторым кодовым дальностям 96
Применение фильтра Калмана к дифференцированному навигационному решению. Анализ результатов 98
Выводы ко второй главе 102
Глава 3. Обработка фазовых измерений от спутниковых навигационных
систем 103
Общий принцип обработки фазовых измерений навигационной аппаратуры 103
Дифференцирование фазовых измеренных дальностей 106
Первые фазовые разности 107
Вторые фазовые разности 107
Третьи фазовые разности 108
Алгоритм определения местоположения в дифференциальном режиме, используя третьи фазовые разности, методом взвешенных наименьших квадратов 109
Статистическая оценка алгоритма определения координат по третьим фазовым разностям 111
Алгоритм определения местоположения в дифференциальном режиме, используя вторые фазовые разности, методом взвешенных наименьших квадратов 114
Статистическая оценка алгоритма определения координат по вторым фазовым разностям 116
3.7. Выводы к третьей главе 118
Глава 4. Позиционирование мобильных объектов в промышленности 121
Типовая схема реализации задачи позиционирования в дифференциальном режиме 122
Цифровая пространственная модель 124
Общий метод построения цифровых пространственных моделей 124
Метод автоматической съемки данных для построения цифровой пространственной модели для железнодорожных сортировочных станций 127
4.3. Позиционирование мобильных промышленных объектов на
пространственных цифровых моделях 132
Преобразование из картезианских в географические координаты 134
Преобразование географических координат в локальную декартову систему 136
4.4. Применение разработанных методов и алгоритмов для системы
позиционирования локомотивов на железнодорожных сортировочных
станциях 138
Заключение 143
Список литературы 144
Список условных сокращений
НИСЗ - Навигационный искусственный спутник Земли
GPS - global positioning system
ГЛОБАСС - глобальная навигационная спутниковая система
КВО - круговое вероятностное отклонение
СКО - среднеквадратическое отклонение
МО - математическое ожидание
ГФУТ - геометрический фактор ухудшения точности
МНК - метод наименьших квадратов
АПЦИ - алгоритм проверки целостности измерений
ФК - фильтр Калмана
PC - референцная станция
БС - базовая станция
DGPS - differential GPS
RTK — real time kinematics
MXC - иноголучевость хода сигнала
ДП - дифференциальные поправки (коррекции)
ЦПМ - цифровая пространственная модель
ЦМПР - цифровая модель путевого развития
АПНС - антенна приема навигационного сигнала
НРВ - нормально распределенная величина
ФМ - фазовая модуляция
ТИМ - тропосферно-ионосферная модель
ПСК - псевдослучайный код
ИПР — измеренная псевдодальность
ЧНП - часы навигационного приемника
БД - база данных
КНС - кадр навигационного сообщения
МАЛС - маневровая автоматическая локомотивная сигнализация
САУЛ - система автоматического управления локомотивами
АПАР - алгоритм позиционирования в абсолютном режиме измерений
АПДР - алгоритм позиционирования в дифференциальном режиме
измерений
ПФР - первые фазовые разности
ВФР - вторые фазовые разности
ТФР - третьи фазовые разности
Введение к работе
Актуальность темы. Одной из наиболее важных проблем в сфере контроля и мониторинга мобильных объектов является определение их местоположения. В зависимости от специфики задачи определяются критерии точности, которые варьируются от миллиметров до сотен метров. А от критериев в свою очередь зависит выбор математических методов и алгоритмов для конечного решения.
Для спутниковых навигационных систем существует три источника измерений: кодовые дальности, доплеровские и фазовые измерения. Кодовые измерения являются основой спутниковой навигации и используются во всех навигационных системах. Точность определения координат по коду составляет несколько метров при благоприятных условиях. Доплеровские измерения, как правило, используются для вычисления компонентов вектора скорости и уточнения решения по кодовым измерениям. Фазовые измерения позволяют определять местоположение с сантиметровой точностью, но математические методы и алгоритмы обработки таких измерений очень сложны и ресурсоемки. На данный момент времени основное направление в развитии навигационной аппаратуры - совершенствование алгоритмов совместной обработки всех типов измерений.
Исследуемая задача в мировой практике не является абсолютно новой. Однако в публикациях, посвященных ей, как правило, не описываются математические модели и важные детали алгоритмов, а приводятся лишь конечные результаты. При этом практически отсутствуют источники, в которых была бы описана четкая алгоритмическая схема, пригодная для написания программного обеспечения. Во многом это связано с тем, что данное программное обеспечение является либо коммерческой тайной, либо интеллектуальной собственностью. И особенно это касается высокоточной обработки фазовых измерений, которым в исследовании уделено наибольшее внимание.
Задачи обработки навигационного сигнала были рассмотрены в работах таких отечественных и зарубежных специалистов, как П. Тениссен, П. Йонг, К. Тибериус, Б. Эйсфеллер, А. Джавад, Чен Д., И. Цуй, М. Прэтт, П. Мисра, Ксяо-Хонг, Серапинас Б.Б., Д. Ванг, М. Стюарт, М. Тсакири. Большой вклад в систематизацию и перевод зарубежных материалов по теме исследования сделал Антонович К.М.
Обобщенные методы и алгоритмы определения координат могут быть использованы в качестве интеллектуальной базы для создания ГЛОНАСС/GPS - приемников и написания программ постобработки навигационных данных с целью решения широкого спектра задач, таких как сухопутная, морская и воздушная навигация, геодезические работы, управление автомобилями и железнодорожным транспортом. Решение задачи определения координат подвижных объектов может быть использовано для мониторинга и управления при открытой разработке полезных ископаемых. Несмотря на то, что использование ГЛОНАСС/GPS является весьма актуальным во многих направлениях, анализ показывает, что технология позиционирования и идентификации мобильных объектов на пространственных цифровых моделях в транспортной промышленной сфере развита недостаточно.
Цель исследования диссертационной работы - разработка методов и алгоритмов решения задач обработки информации от спутниковых навигационных систем, определения местоположения подвижных объектов в абсолютном и дифференциальном режимах, способов идентификации позиционируемых подвижных объектов на пространственных цифровых моделях.
Для достижения поставленной цели необходимо решить следующие основные задачи:
Исследование традиционных алгоритмов обработки спутниковой навигационной информации и определение их недостатков, связанных в основном с отсутствием статистического анализа полученных решений.
Классификация и анализ факторов, влияющих на точность определения координат. Особое внимание следует уделить таким факторам понижения точности, ошибка от которых может быть значительно минимизирована методами математического и компьютерного моделирования.
Разработка алгоритмов навигационных решений в абсолютном и дифференциальном режимах с использованием кодовых и фазовых измерений навигационных сигналов.
Разработка метода определения оптимального навигационного решения, фильтрация измерений и их сглаживание на основе статистической обработки измерений.
Разработка метода построения пространственных цифровых моделей и способов идентификации мобильных объектов на них. Для этого необходимо создать алгоритм постобработки навигационных данных и структуру базы данных для хранения пространственной информации и логической связи ее с напольными объектами.
Методы исследования. Поставленные задачи решались с использованием методов математического моделирования, статистического анализа, методов оптимизации, астрофизики, имитационного моделирования и методов разработки специального программного обеспечения для анализа и обработки больших объемов навигационных данных. При разработке методов построения пространственных цифровых моделей и преобразования координат был использован материал из области классической и космической геодезии. Также были использованы специальные алгоритмы оптимизации вычислений для операций с матрицами больших размерностей.
Основные научные положения, выносимые на защиту, и их научная новизна.
Разработка обобщенного алгоритма на основе анализа, статистической оценки и систематизации традиционных алгоритмов определения координат по кодовым дальностям в абсолютном режиме измерений.
Метод определения координат по кодовым измерениям в дифференциальном режиме с использованием нелинейного фильтра Калмана.
Метод определения координат подвижного объекта в дифференциальном режиме по вторым и третьим фазовым разностям с использованием взвешенного метода наименьших квадратов.
Разработка технологии идентификации мобильных промышленных объектов на пространственных цифровых моделях.
Практическая значимость диссертации заключается в создании алгоритмической базы, на основе которой можно создавать специальное программное обеспечение определения координат подвижных и статических объектов в реальном масштабе времени и в режиме постобработки. Использование алгоритмов позволит несколько раз уменьшить стоимость навигационных приемников по сравнению с западными аналогами, имеющими похожую функциональность.
Достоверность полученных результатов подтверждается применением научно-обоснованных методов исследования и положительной апробацией работы в рамках системы автоматического управления локомотивами на сортировочных станциях (САУЛ), создаваемой для ОАО «РЖД». Программное обеспечение, разработанное на основе диссертационной работы, используется для определения местоположения локомотивов и успешно функционирует на станциях Красноярск-Восточный
Западносибирской железной дороги, Солнечная Московской железной дороги и Окуловка Октябрьской железной дороги.
Основные положения и результаты исследования одобрены на научных семинарах кафедры АСУ МГГУ (2008-2010 гг).
Публикации.
По теме диссертации опубликовано шесть работ.
