Содержание к диссертации
Введение
1. Геодезическое применение спутниковой навигационной системы 14
1.1. Геодезические измерения 14
1.2. Анализ ошибок при геодезическом применении спутниковой навигационной системы 17
1.3. Обзор методов борьбы с ошибками многолучевости 18
1.4- Рандомизация ошибки многолучевости 20
1.5. Рандомизация ошибки многолучевости при геодезических измерениях 21
2. Алгоритмы геодезических измерений 26
2.1. Общая постановка задачи 26
2.2. Повышение точности за счет дополнительных измерений угла 34
2.3» Датчики угла отклонения от вертикали 49
2.3.1. Типы существующих датчиков угла отклонения 49
2.3.2. Ошибки датчика угла 51
2.4. Определение систематических ошибок датчика угла при увеличении неизвестных параметров 54
3. Имитационное моделирование 60
3.1. Описание имитационной модели 60
3.2. Модели многолучевости 62
3.3. Динамические ошибки датчика угла отклонения 69
3.4. Эксперименты на имитационной модели 73
4. Аспекты реализации конструкции геодезической штанги с датчиком угла отклонения 77
5. Полунатурное моделирование 84
6. Экспериментальное исследование точности определения геодезических координат 93
Заключение 99
Литература
- Анализ ошибок при геодезическом применении спутниковой навигационной системы
- Повышение точности за счет дополнительных измерений угла
- Модели многолучевости
- Экспериментальное исследование точности определения геодезических координат
Введение к работе
Спутниковая навигационная система GPS/ГЛОНАСС
Спутниковая навигация - это новая, быстро развивающаяся ветвь навигации подвижных объектов. Она явилась одной из первых областей прикладной космонавтики, ориентированной на удовлетворение потребностей практической деятельности человека. Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую радионавигационную систему, в которой роль опорных радионавигационных точек выполняют искусственные спутники земли, несущие навигационную аппаратуру [1],
Навигационные искусственные спутники земли (НИСЗ) являются аналогом неподвижных радионавигационных точек, представляющих собой опорные пункты наземных радионавигационных систем. Перенос радионавигационных точек из наземных точек 'с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привёл к существенным изменениям в построении этих радионавигационных систем. Если наземные радионавигационные системы содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру радионавигационных точек и потребителей, то СРНС включает в себя ряд дополнительных звеньев. В состав СРНС входят: подсистема космических аппаратов, подсистема контроля и управления и аппаратура потребителей. Подсистема контроля и управления обеспечивает подсистему космических аппаратов необходимой информацией для создания глобального навигационно-времснного поля, С использованием аппаратуры потребителей решаются навигационные задачи по полученным данным навигационных измерений и сообщениям, а в некоторых случаях и другим данным-
Упрощённая структурная схема СРНС (рис. 1.1) включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру потребителя, командно-измерительный комплекс и центр управления [10,2,1].
Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развёртывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса.
РисЛЛ. Упрощённая структурная схема СРНС. КИК - командно-измерительный комплекс; ЦУ - центр управления.
Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объём служебной информации. На НИСЗ, как на космическом аппарате, размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования.
Аппаратура потребителей предназначается для приёма сигналов от НИСЗ» измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированная ЭВМ.
Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими, как космическими аппаратами.
Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с командно-измерительным комплексом.
В настоящее время широко используются для навигации объектов спутниковые радионавигационные системы «Глонасс» (Россия) и «Навстар» или GPS (США) [1,2]. Эти СРНС позволяют решать как частные навигационные задачи, так и практически все основные задачи навигационно-временного обеспечения различных военных и гражданских потребителей. Они обеспечивают глобальные, непрерывные в реальном масштабе времени, высокоточные определения пространственных координат места и скорости объектов, а также поправок времени и частот их генераторов. СРНС удовлетворяют перспективным требованиям к навигационному и временному обеспечению различных потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближнем космическом пространствах.
Данные СРНС обеспечивают решение большого числа различных навигационных задач военными и гражданскими потребителями. При этом повышается эффективность выполнения боевых операций, обеспечивается проведение научно-исследовательских и поисковых работ для военных и гражданских целей, снижаются аварийность, расход топлива и т.д. [1]. Это обеспечивается за счет достаточно высокой точности, которая достигается при абсолютной навигации (Юм или 30м при режиме селективного доступа в GPS) СРНС, Кроме этого часто применяется дифференциальный режим, использующий как относительную кодовую навигацию (0,5м-1м), так и относительную фазовокодовую навигацию (1 см-2см). В основе дифференциального метода лежит формирование разности измерений между
базовой станцией и передвижной станцией, что и придало методу название дифференциальный. Внимание к дифференциальному режиму связано с необходимостью обеспечивать решение задач, требующих точностей лучше, чем 10 м., а также стремлением гражданских потребителей повысить точность навигации, обеспечиваемую предоставляемым им кодом С/А [15].
Структура дифференциальной подсистемы поясняется рисЛ.2, где изображено рабочее созвездие из четырёх НИСЗ, выбранное потребителем как оптимальное для выполнения им навигационно-временного определения в стандартном режиме- Собственно дифференциальную подсистему образуют средства наземной контрольно-корректирующей станции и дополнительные бортовые устройства потребителя.
На контрольно-корректирующей станции размещены:
базовая станция - аппаратура потребителей системы, способная в результате накопления измерений и фильтрации случайных погрешностей обеспечить наиболее точные навигационно-времениые определения;
формирователь корректирующей информации, вычисляющий поправки на сильно коррелированные погрешности и формирующий кадр корректирующей информации; передатчик корректирующей информации. На борту потребителя размещаются: аппаратура приёма корректирующей информации и устройство ввода корректирующей информации в стандартную аппаратуру потребителя. Антенна аппаратуры потребителя, размещённая на контрольно-корректирующей станции, привязывается на местности с геодезической точностью-
ПИСЗ-2
НИСЗ-1 UHJ
n пНИСЗ-4
Передатчик КИ К
Формирователь КИ ^
Базовая станция
Истинные координаты ККС
РисЛ.2. Структура дифференциальной подсистемы; ККС - контрольно-корректирующая станция; КИ - корректирующая информация.
В дифференциальном режиме на борту потребителя результаты определений в стандартном режиме будут автоматически корректироваться с помощью переданных с контрольно-корректирующей станции поправок. Поскольку контрольно-корректирующая станция имеет ограниченную зону действия, на обеспечиваемой территории размещается ряд таких станций, каждой из которых потребитель пользуется в зоне уверенной передачи ею корректирующая информация.
Область возможного применения дифференциального режима сравнительно широка, В литературе рассматриваются возможности использования дифференциального режима в основном по трём направлениям: для повышения точности навигации при работе с сигналами с С/А-кодом; для повышения точности при приёме сигнала с Р-кодом; для восстановления точности при нештатной работе систем «Глонасс» и «Навстар».
В зависимости от решаемых задач при дифференциальной навигации могут быть использованы разные режимы, отличающиеся способом передачи
результатов измерений от базовой станции к потребителю. В режиме постобработки эти результаты передаются в виде записей в цифровой форме и поступают потребителю после того, как все измерения закончены. При постобработке потребитель восстанавливает свое положение на определенные моменты прошедшего времени.
Другой режим - реалтайм-обработка - предусматривает местоопределение пользователя непросредственно во время измерений. Режим реалтайм-обработки использует линию связи (обычно это радиосвязь), по которой в цифровой форме передается от базовой станции к потребителю вся необходимая информация.
Повышение точности дифференциальной навигации может быть достигнуто, если измерения псевдодальностей по кодам дополнить измерениями фазы несущей частоты. Если измерить фазу несущей, полученного от спутника в приемнике базовой станции, и сравнить ее с фазой несущей от того же спутника, измеренной в приемнике потребителя, можно получить точность до нескольких процентов от длины волны несущего колебания.
Практическая реализация тех преимуществ, которые могут обеспечить измерения по фазе несущей, связана с необходимостью разрешения неоднозначности фазовых измерений.
Общая схема вычислений подробно изложена в литературе по спутниковой навигации. Наиболее полно это изложение можно найти на английском языке в книге Bradford W,Parkinson, James J.Spilker Jr., Global Positioning Theory and Applications [11]. На русском языке - в книге по ред. В.С.Шебшаевича Сетевые спутниковые радионавигационные системы (1993) [10].
Отдельные проблемы, связанные с обработкой навигационной информации, рассматриваются во многих статьях, руководствах и патентах.
Потребители спутниковой навигационной системы
До последнего времени создание СРНС осуществлялось в соответствии с требованиями, определяемыми их первоначальным целевым предназначением. Общими для GPS и Глонасс при этом были требования глобальности, независимости от гидрометеорологических условий, подстилающей поверхности, рельефа местности, окружающей растительности, застройки, времени суток и года, непрерывности, неограниченной пропускной способности, практической независимости от высоты над поверхностью земли, помехозащищенности и других условий движения определяющегося объекта.
Использование СРНС в интересах местоопределения и навигации гражданских объектов (самолетов и вертолетов, морских и речных судов, автомобилей, топопривязчиков и др.) выдвигает новые более высокие требования, вытекающие из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения, а также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка, поиск полезных ископаемых, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей).
Рассмотрим различные области применения спутниковых радионавигационных систем.
Зональная навигация и заход на посадку. При заходе на посадку на аэродром, не оборудованный специальными радиотехническими посадочными системами, требуется точность до 5 м. При работе по С/А-коду в стандартном режиме посадка на необорудованный аэродром не обеспечивается. Применение дифференциального режима открывает такие возможности для большого парка самолётов коммерческой и гражданской авиации. В тоже время военные самолёты, решающие те же задачи с использованием Р-кода, получат в дифференциальном режиме ещё более высокую точность.
Навигация судов в узких проливах и каналах. При проходе по узким судоходным руслам, за счёт использования дифференциального режима можно будет повысить безопасность движения судов. При вождении в узких каналах современных крупногабаритных судов требуется точность 4-Ю м., для реализации которой в дифференциальном режиме могут оказаться недостаточными возможности при работе с С/А-кодом и потребуется использовать Р-код.
Поддержание строя при совместном движении. При совместном движении боевых самолётов и кораблей, транспортных самолетов, самолётов-заправщиков, судов на подводных крыльях, танков и других объектов бывает необходимо поддерживать строй с высокой точностью. Эту задачу можно решать при работе по сигналам с С/А-кодом или с Р-кодом (в зависимости от объекта), используя дифференциальный режим. Все единицы группы проводят сопоставление своих координат с координатами других участников движения, получая в результате вычитания пратстически полную компенсацию сильно-коррелированных погрешностей. Полученные относительные координаты будут иметь точность на уровне шумовых погрешностей аппаратуры.
Всепогодное наведение вертолётов на промысловые плавающие средства. Проведение разведки нефти и других промысловых работ в открытом море с плавающих средств создаёт необходимость всепогодного наведения на них вертолётов при пополнении необходимых запасов. Такая задача может обеспечиваться использованием дифференциального режима при котором контрольно-корректирующая станция размещается на плавающей базе, а вертолёт, оснащённый аппаратурой потребителя, совершает заход на посадку, получая от контрольно-корректирующей станции соответствующие поправки. Поскольку в этом случае по мере приближения вертолёта расстояние между потребителем и контрольно-корректирующей станцией уменьшается, остаточная ошибка будет
уменьшаться, что позволит полностью реализовать возможности дифференциального метода.
Картографические и геодезические работы.
Важной областью применения приемников сигналов спутниковых навигационных систем является геодезия, в которой такие приемники обладают целым рядом преимуществ перед традиционными средствами. К этим преимуществам прежде всего относятся: оперативность, всепогодность, возможность работы в любое время суток, отсутствие необходимости прямой видимости при выполнении дифференциальных измерений,
В настоящее время решение широкого круга геодезических задач уже невозможно представить без применения спутниковых радионавигационных систем глобального обзора типа ГЛОНАСС и GPS. Геодезические методы, основанные на использовании этих систем, занимают ведущие позиции при построении глобальных и региональных геодезических сетей, определении параметров вращения Земли, решении задач глобальной и региональной геодинамики. Геодезические СРНС-определения, благодаря повышенной точности, оперативности, независимости от погодных условий, отсутствию требований к взаимной видимости между определяемыми пунктами, практически вытеснили традиционные наземные геодезические методы при построении локальных сетей как общего назначения, так и сетей, создаваемых для определения деформации земной поверхности природного и технического происхождения. Все более массовый характер приобретает использование СРНС-аппаратуры при проведении геодезических и топографических съемок различного назначения, при геодезической привязке аэроснимков и космических снимков высокого разрешения, а также для непосредственной геодезической привязки положений фотокамер в процессе выполнения аэросъемки.
Задачи глобальной и региональной геодинамики, налагают на СРНС наиболее жесткие требования по точности и дальности передачи координат -
Змм + 5мм на каждые 1000 км (3mm+5E-9*L, где L - расстояние) [1]. При решении задач локальной геодинамики на территориях протяженностью от нескольких десятков до нескольких сотен километров необходима точность Змм-Нмм на каждые 10км. Повышенные требования к точности возникают и при использовании спутниковых методов для определения нормальных высот (спутниковое нивелирование). Необходимая при этом точность определения высот составляет 5мм+10...30мм на каждые 100км [1].
Задача обеспечения точности 5-8 мм возникает также при проведении высокоточных геодезических измерений. При этом аппаратура должна быть достаточно простой в обращении и экономной по энергопотреблению. Важно также обеспечить быстрое получение измерений с требуемой точностью т.к. работа геодезиста предусматривает проведение измерений в достаточно большом количестве разных точек. Достижение точности дифференциальных измерений с погрешностью 5-6 мм в частности при геодезических работах является актуальной задачей» которой посвящена эта работа.
Анализ ошибок при геодезическом применении спутниковой навигационной системы
Использование дифференциального метода позволяет практически полностью исключить большинство источников ошибки местоопределения, связанных со спутником (селективный доступ, ионосферная задержка радиосигнала, нестабильность спутникового эталона частоты, неточность эфемсридной информации). Исключение ошибок происходит за счет взаимокомпепсации их при вычитании, т.к. они проявляются практически одинаковым образом как в базовой станции, так и в подвижном приемнике.
При дифференциальном методе, когда длина базового вектора меньше 10 км, главным источником ошибок вычисления координат является эффект многолучевости, возникающий вследствие того, что на вход навигационного приемника кроме основного сигнала приходят копии этого сигнала, отраженные от местных предметов. После сложения всех этих сигналов параметры суммарного сигнала, измеряемые приемником, будут отличаться от параметров прямого, что и приводит к ошибке многолучевости. При расчете координат эта ошибка может достигать 1...2 см в зависимости от внешних условии. Иногда многолучевость может приводить к аномальным ошибкам существенно большим 1..2 см.
Ошибки многолучевости приводят к различным последствиям. Во первых, из-за них уменьшается точность фазовых измерений, что затрудняет получение субсантиметровой точности. Во вторых, увеличивается время, которое необходимо для разрешения неоднозначностей, поскольку на время разрешения влияют ошибки многолучевости по кодовым измерениям (псевдодальностям). Это увеличение времени особенно заметно в одночастотных навигационных приемниках.
Существуют различные методы уменьшения ошибки многолучевости.
Во первых, это методы сглаживания измерений. Так, сглаживанию за время много большее интервала корреляции ошибки многолучевости могут подвергаться уже вычисленные координаты базового вектора» Также для уменьшения ошибки многолучевости по кодовым измерениям может применяться сглаживание кодовых измерений с использованием фаз несущих («Undestanding GPS: principles and applications» Elliott Kaplan) [59]. Однако такие подходы обладают целым рядом ограничений и недостатков, основным из которых является то, что из-за большого интервала корреляции ошибки многолучевости для хорошего сглаживания потребуются длительные измерения (десять и более минут).
Известны методы, основанные на учете поведения синфазной компоненты, полученной в результате корреляционной обработки спутникового сигнала («High integrity multipath mitigation techniques for ground reference stations») [46], Дело в том, что отраженный сигнал приводит также к изменениям в синфазной компоненте. Тогда, совместно обрабатывая псевдодальность, фазу несущей и синфазную компоненту, компенсируют ошибку многолучевости. Основными недостатками этого метода является низкая точность компенсации, невозможность отследить сравнительно быстрые изменения ошибки.
Существуют также методы, использующие построение канальных алгоритмов (следящих систем) с учетом влияния отраженных сигналов. Известны системы, использующие специально подобранную форму опорного сигнала в корреляторах следящей системы («The mitigation of multipath errors by strobe correlators in GPS/GLONASS receivers») [62]. Иногда используют системы имеющие несколько корреляторов («The Multipath Estimating Delay Lock Loop: Approaching Theoretical Accuracy Limits») [61]. В таких системах для слежения за сигналом используется комбинация выходных сигналов этих корреляторов- Форма опорного сигнала в первом случае, число корреляторов и правило комбинирования их сигналов во втором случае выбирается из условия минимизации влияния запаздывающих отражений.
Основным недостатком этих и подобных систем является невозможность подавления многолучевости при малых задержках отраженного сигнала относительно прямого- Отраженные сигналы с такими задержками чаще всего возникают в случае близкорасположенных от 0 до 20 м. к антенне отражающих предметов, например, деревьев, автомобилей, строительных конструкций. Такие ситуации встречаются при работе в городе или в лесистой местности.
Известны также методы уменьшения многолучевости с помощью использования приемных антенн со специальными характеристиками, учитывающими действие отраженных сигналов. Для подавления многолучевости, связанной с отражением сигнала от поверхности земли применяют антенны со специальными экранами, на которые устанавливают антенну. Используют несколько типов экранов: экран в виде плоского металлического диска или экран в виде диска с установленными на нем концентрическими кольцами. Диск с концентрическими кольцами обеспечивает большее подавление многолучевости, чем просто плоский металлический диск. Основным ограничением использования таких антенн является отсутствие возможности подавления многолучевости из-за отражений в верхней полусфере.
Известен способ уменьшения статической многолучевости с помощью множества близкорасположенных антенн. Способ основан на оценивании параметров многолучевости (коэффициента отражения, фазы, угла места и азимута отраженного сигнала), но для оперативных геодезических измерений такой способ не пригоден.
Повышение точности за счет дополнительных измерений угла
Дополним систему одним датчиком угла. Вообще говоря, возможно измерять либо угол отклонения штанги от вертикали, либо угол поворота штанги от направления на Север. Принцип датчика, измеряющего угол отклонения штанги от вертикали, основан на измерении ускорения свободного падения (силы тяжести Земли). Датчик, измеряющей угол поворота штанги, должен измерять силу магнитного поля Земли. На точность этого измерения будут сильно влиять магнитные аномалии Земли, различные металлические конструкции, находящиеся рядом с местом проведения измерения. Т.е. работоспособность системы будет зависеть от места проведения измерений и от окружающей обстановки. По этим причинам рассмотрим только эффект от использования датчика измерения угла отклонения совместно с координатами фазового центра антенны. На показания этого датчика также будут влиять внешние факторы - это гравитационные аномалии, различное значение ускорения свободного падения от высоты. Но, несмотря на эти факторы, датчик угла отклонения обеспечит большую надежность работы системы, чем магнитный датчик.
Кроме этого, зависимость величины ускорения свободного падения от высоты можно учитывать, т.к. высота над уровнем моря известна по координатам навигационного приемника,
В данной задаче измеряемыми величинами будут X,Y,Z и 9. Все эти величины измеряются со своими ошибками. Будем опять рассматривать идеальный случай считая, что ошибки независимы и распределены по нормальному закону и имеют нулевое смещение. Неизвестными параметрами в данной задачи являются координаты X0 Y0,Z0.
Значение ошибок координат антенны возьмем такими же, как в п.2.1. Что же касается ошибки углового датчика, то здесь имеется неопределенность, поскольку существует много моделей угловых датчиков, отличающихся не только точностью, но и габаритами, принципом и временем измерения, различными видами ошибок, а также ценой. Тогда главная цель данного исследования - установить, при какой точности углового датчика можно добиться требуемого увеличения точности координат измеряемой точки, а следовательно, и выяснить, выпускает ли промышленность датчики с требуемой точностью и в каком классе приборов их следует выбирать.
При решении данной задачи накладываются определенные ограничения на вычислительные средства. Задача должна решаться на специализированном вычислительном устройстве навигационного приемника. Это устройство имеет ограниченное быстродействие, ограниченную память и другие ресурсы. Для решения данной задачи был выбран метод наименьших квадратов. Вычислительных средств навигационного приемника хватает для реализации этого метода.
Для решения задачи поиска точки с координатами (Xo,Y0,Zo) при множестве измеренных углов 0, и координат (XjsYj,Zj) можно составить несколько вариантов функционалов, минимум которых ищется. Рассмотрим эти варианты.
Первый вариант, как и ранее соответствует утверждению, что все точки находятся на сфере с радиусом L и угловых измерений не учитывает, F \(X0,Y0,Z0)=jjjix, -х0)г+(УІ-Уо)2Нгі -z0f -bf Второй вариант соответствует утверждению, что все точки находятся на сфере с радиусом L, а координата Z{ находится на расстояние Lxcos( ) от искомой координаты 20, FZiX.J Z i -X H -Y HZ Z,)1 -l} +(Zl Z0-Lco{eJ
Третий вариант соответствует утверждению, что все окружности на плоскости XY с центрами в точках (Хп Y,) и радиусами L х sin( ) пересекаются в одной точке, а координата Z, находится на расстоянии ixcos( ) от искомой координаты Z0. F%X0,Ya,Zo) = І[(М -Xaf +(Y, -Y0f -Lsuiejf+{Z, -Za -ІсоШ i=[L Четвертый вариант соответствует утверждению (рис.2.2), что все точки находятся на сфере с радиусом L, все окружности на плоскости XY с центрами в точках {Xi9Yt) и радиусами Іхзіп(0,) пересекаются в одной точке, а координата Zi находится на расстоянии Lxcos(Ot) от искомой координаты Z0.
В первом варианте не используется угол отклонения штанги от вертикали. В остальных этот угол используется. Графики этих функционалов, они приведены на рис. 2.3, 2.4, 2.5. Графики строились в области искомой точки (Xo,Y0jZo). По осям абсцисс откладывались смещения dX,dYsdZ от искомой точки (Xo,Y0lZ0). Результат исследования этих функционалов показал, что: 1) в районе искомой точки, при отклонении от нее до 4 см, минимизируемая функция гладкая и имеет один минимум, 2) наиболее острый минимум по всем трем координатам имеет четвертый вариант.
Исследования показали, что наибольшую точность координат искомой точки можно получить, минимизируя функционал [2.2.1]. Он представляет собой сумму по N измерениям квадратов трех невязок.
Модели многолучевости
Эффект многолучсвости возникает вследствие того, что на вход навигационного приемника кроме основного (прямого) сигнала приходят копии этого сигнала, отраженные от местных предметов. Различие параметров прямого и отраженного сигналов приводит к ошибке (называемой ошибкой многолучевости) при определении дальности до спутника.
Зеркально отраженный сигнал можно характеризовать следующими параметрами: - временной задержкой 5 псевдошумового кода (ГТШК) отраженного сигнала относительно ГТШК прямого» - разностью фаз 9 между несущей отраженного сигнала и несущей прямого, - отношением а амплитуды отраженного сигнала к амплитуде прямого. Важное значение имеют также направление прихода и тип поляризации отраженного сигнала»
Рассмотрим эти параметры более подробно. От направления прихода отраженного сигнала зависит его амплитуда на выходе антенны [определяется по диаграмме направленности (ДН)] и дополнительный фазовый сдвиг за счет неравномерности фазовой диаграммы антенны» Амплитуда зависит также от типа поляризации отраженного сигнала. Сигналы, излучаемые как спутниками GPS, так и ГЛОНАСС, имеют правую круговую поляризацию [8,51], Как известно [41], при отражении сигнала, падающего под малым углом, сигнал изменяет тип поляризации- с правой на левую. За счет того, что навигационная антенна проектируется для приема сигналов с правой поляризацией, при таких углах отраженный сипіал будет ослабляться. К сожалению, это ослабление не очень велико. Однако в нижней полусфере антенна имеет левую поляризацию и поэтому отраженные сигналы, приходящие "снизу11 (например, вследствие отражения от поверхности земли), ослабляются только за счет экранов.
Временная задержка, фаза и амплитуда отраженного сигнала влияют на работу следящих петель приемника. Отраженный сигнал всегда запаздывает относительно прямого за счет распространения по более длинному пути. Причем сигналы с задержками, большими длины элемента ПШК, модулирующего несущую, ошибку практически не вызывают за счет узкой корреляционной функции ПШК.
Амплитуда отраженного сигнала обычно меньше амплитуды прямого за счет потерь при отражении. Однако ситуация может быть и противоположной, если прямой сигнал испытывает сильное затухание. Более того, он может вообще отсутствовать при затенении линии визирования радионепрозрачным предметом.
Модель многолучевого сигнала при наличии нескольких отражающих поверхностей может быть записана в виде {t) = Xi pi.t-SJ-coslabt + QA + nO), [3.1] где к- число отраженных сигналов; /=0 соответствует прямому сигналу, а /=1,2...к - отраженным; at - амплитуда /-го сигнала; p(t) - ПШК (например, С/А код GPS); 5/ - временной сдвиг /-го сигнала относительно прямого; о 0 -несущая частота; 9Г фаза 2-го отраженного сигнала относительно прямого; n(t) - аддитивный гауссов шум с нулевым математическим ожиданием. Отметим, что адекватность этой модели в ряде случаев подтверждается экспериментальными исследованиями [58], Указанные параметры k, ait 5,, со0, 0, меняются с течением времени за счет взаимного движения спутника, отражающих предметов и приемника. По скорости их изменения (в основном по скорости изменения относительной фазы 0/ между прямым и отраженным сигналами) многолучевость подразделяют на медленную и быструю. Первая проявляется в статических приложениях, и интервал ее корреляции лежит в пределах от нескольких минут до нескольких десятков минут [46]. Вторая проявляется в кинематических приложениях.
Известны разные модели, применяемые для описания отраженных сигналов. Соотношение [3-1] соответствует случаю зеркального отражения» В частности, при к=1 имеет место одиночное отражение, которое часто происходит от горизонтальной подстилающей поверхности (рис.3.2). Встречается также зеркальные отражения от вертикальной плоскости (например от стены дома).
Отраженные сигналы вызывают ошибки в измеренных координатах фазового центра антенны навигационного приемника. В высокоточных системах эти ошибки определяются фазовыми измерениями на несущей частоте и зависят главным образом от относительной амплитуды сигнала (а йі/ао) и фазы отраженного сигнала {9,-). Если антенна движется, фаза меняется и в основном задает характер изменения координатной ошибки. При небольших значениях амплитуды (сц 0.1) и на ограниченных интервалах времени координатные ошибки описываются гармоническими функциями вида:
Экспериментальное исследование точности определения геодезических координат
В экспериментальном образце потребовалось объединить все части системы в едином блоке, чтобы в процессе работы геодезист мог непосредственно получать точные данные о координатах измеряемой точки.
Была создана программа, реализующая рассмотренный метод обработки на специализированном вычислительном процессоре навигационного приемника. На рис.6 Л приведен укрупненный алгоритм этой программы. Эта программа реализует рекуррентный МНК. В навигационный приемник поступают данные с устройства измерения угла, обрабатывются и пользователю выдаются координаты точки, в которую установлен нижний конец штанги. От пользователя требуется задать длину штанги с устройством измерения угла и антенной. Длина должна быть измерена от нижнего конца до фазового центра антенны. В программе были предусмотрены различные защиты от некорректных данных: потеря фиксированного фазового дифференциального решения, перемещение пользователем нижнего конца штанги из искомой точки и др.
С помощью данной разработанной программы был проведен ряд экспериментов.
При проведении экспериментов на крыше одного из зданий была установлена антенна базовой станции. Для проведения экспериментов осуществлялось измерение близко расположенных точек на земной поверхности- Для этого с помощью геодезической триноги над одной из точек устанавливалась антенна одного навигационного приемника, а в другую точку устанавливалась геодезическая штанга с датчиком измерения угла.
Координаты, выдаваемые навигационным приемником, установленном на треноге, усреднялись в течение всего времени эксперимента. Операция усреднения в данном случае является оптимальной, тж. вероятность распределения ошибок определения координат предполагается гауссовой и приемник расположен неподвижно. Второй приемник обрабатывал совместно координаты фазового центра антенны и угол наклона штанги. В течение всего времени измерения штанга качалась по траектории, которая была предложена в главе 3 рис, 3.5В.
По окончании процедуры измерения навигационный приемник выдавал координату точки, в которую была установлена штанга. Эксперименты проводились в различное время суток и в различные дни (рис.6,2, 63, 6.4). Время экспериментов колебалось от 40 секунд до 2 минут. Результаты одной из серий экспериментов показаны на рис. 6.3. Данная серия экспериментов показала, что измерения с датчика угла наклона позволяют улучшить на 10% точность определения координат на земной поверхности в подобных условиях по сравнению с процедурой усреднения координат, выдаваемых навигационным приемником.
Серии экспериментов, типа описанных выше, проводились в различных условиях. Это были эксперименты в поле, около крон деревьев, около стен зданий. Наибольшее увеличение точности было получено около стен зданий. Увеличение точности было на 30%- Это объясняется большим влиянием многолучевости на точность определения координат около здания. Многолучевость имеет медленный характер (корреляция с большой постоянной времени) и плохо усредняется для случая неподвижно установленного приемника. Для случая качания штанги происходит рандомизация многолучевости и затем совместная обработка с датчиком угла позволяет получить хорошую точность.
В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленными целью и задачами:
1. Показано, что применение датчика угла наклона позволяет уменьшать ошибки многолучевости в определении координат навигационным приемником,
2. Показана возможность применения реально выпускаемых промышленностью датчиков для измерения угла,
3. Разработана методика совместной обработки координат навигационного приемника и измерений угла с учетом ошибок измерений реальных датчиков,
4. Разработаны рекомендации к конструкции системы, даны рекомендации по моделям датчиков. Разработанная система упрощает определение координат за счет отсутствия необходимости вертикальной установки геодезической штанги,
5- Экспериментальное изучение влияния ошибок многолучевости на точность определения координат показало, что предложенная обработка измерений датчика угла и координат навигационного приемника позволяет улучшить точность определения координаты точки на земле на 10-30% по сравнению с усреднением координат навигационного приемника в этой же точке. Совместная обработка измерений и усреднение осуществлялись за одно и то же время.
Похожие диссертации на Повышение точности геодезических измерений с помощью рандомизации ошибки многолучевости в приемнике GPS/ГЛОНАСС
