Содержание к диссертации
Введение
Глава 1. Принципы работы угломерной навигационной аппаратуры
1.1. Основы навигационно-временных определений .
1.2. Проблема высокоточного углового позиционирования по сигналам СРНС .
1.3. Модели первичных измерений навигационных параметров
1.4. Ошибки измерения навигационных параметров .
1.5. Методы раскрытия неоднозначности в фазовых интерферометрах СРНС
1.6. Выводы ...
Глава 2. Беспереборный метод раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов СРНС
2.1. Беспереборный метод раскрытия неоднозначности в навигационной аппаратуре с многошкальной антенной системой .
2.2. Метод приведения отсчетов первичных измерений к общему времени излучения сигнала
2.3. Особенности реализации беспереборной процедуры раскрытия неоднозначности при использовании сигналов системы ГЛОНАСС
2.4. Оценка влияния ошибок измерения псевдодальности и фазы на характеристики процедуры раскрытия неоднозначности
2.5. Метод уменьшения флюктуационной составляющей ошибки измерения псевдодальности за счет использования фазовых измерений .
2.6. Выводы ...
Глава 3. Программно-алгоритмическая реализация беспереборного метода раскрытия неоднозначности .
3.1. Структурные схемы угломерной навигационной аппаратуры .
3.2. Алгоритм работы угломерной навигационной аппаратуры
3.3. Процедура определения параметров антенной системы навигационной аппаратуры .
3.4 Решающее правило переборной процедуры раскрытия
неоднозначности фазовых измерений .
3.5. Процедуры обнаружения и исправления ошибок, обусловленных перескоками фазы в контуре ФАПЧ .
3.6. Особенности реализации переборных алгоритмов раскрытия неоднозначности в навигационной аппаратуре с многошкальной антенной системой .
3.5 Выводы ...
Глава 4. Экспериментальное исследование алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры .
4.1. Методика исследования алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры .
4.2 Описание экспериментальной установки .
4.3 Результаты экспериментального исследования алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры .
4.4 Выводы
Заключение
Список литературы .
Приложение 1
Приложение 2 .
Приложение 3
- Проблема высокоточного углового позиционирования по сигналам СРНС
- Метод приведения отсчетов первичных измерений к общему времени излучения сигнала
- Алгоритм работы угломерной навигационной аппаратуры
- Описание экспериментальной установки
Введение к работе
За время, прошедшее с момента создания спутниковых радионавигационных систем (СРНС) второго поколения - ГЛОНАСС (Россия) и GPS (США), была экспериментально доказана возможность использования навигационного поля, создаваемого этими системами, для реализации высокоточных алгоритмов навигационно-временных определений (НЕЮ) с использованием измерений псевдодоплеровской фазы сигналов, принимаемых навигационной аппаратурой потребителя (ПАП). При этом становится возможным определение не только абсолютных и относительных координат точки нахождения потребителя, но и его пространственной ориентации (угловых координат).
Достигнутая к настоящему времени точность угловых определений с помощью построенной по принципу фазовой интерферометрии угломерной НАП СРНС имеет порядок нескольких угловых минут (СКО), что соответствует точности высококлассных гироскопических средств, традиционно применявшихся для определения угловой ориентации, при этом стоимость угломерной НАП оказывается в два-три раза ниже. Кроме того, угломерная НАП свободна от известных недостатков гироскопических систем, так как в ней отсутствует эффект деградации точности с увеличением времени измерений, и имеется возможность коррекции сбоев в условиях автономной работы.
Таким образом, угломерная НАП СРНС является весьма перспективным и практически важным видом спутниковой навигационной аппаратуры, что подтверждено опытом отечественных и зарубежных промышленных разработок.
Одной из важнейших задач, с которой сталкиваются разработчики фазовых радиоинтерферометрических систем определения угловых координат и параметров движения объектов, является раскрытие неоднозначности
измерения разности хода сигналов, т.к. однозначными указанные измерения являются только при разности хода меньше половины длины волны несущих колебаний [1].
До разработки радионавигационных систем методы фазовой радиоинтерферометрии активно применялись в радиоастрономии. Отсутствие ограничений на геометрические размеры, взаимное положение и количество антенн позволили разработать большое количество подходов к решению задачи раскрытия неоднозначности фазовых измерений при создании радиоастрономических комплексов. Значительный вклад в разработку методов раскрытия неоднозначности внесли создатели радиоастрономической аппаратуры Л.И. Матвеенко, С.С. Моисеев, Б. Ловел, Б. Берк и др. [2]. В результате многолетних исследований ими были выработаны фундаментальные основы многошкальных методов раскрытия неоднозначности.
Исследования возможности использования навигационного поля СРНС для определения угловой ориентации навигационных потребителей начались с ввода эксплуатацию системы ТРАНЗИТ (США) [3] и приобрели большое значение с развертыванием СРНС второго поколения. Отечественными и зарубежными учеными получены существенные теоретические и практические результаты, позволившие создать множество методов раскрытия неоднозначности, которым посвящены работы К.В. Пезина, А.А. Поваляева, И.А. Липкина, Б.В. Ремонди, Е. Фреи, Х.А. Абидина, П. Теуниссена и др [10,12-13,16-26].
Разработанные до настоящего времени методы раскрытия неоднозначности фазовых измерений в угломерной НАП предполагают, что для определения ориентации любой оси объекта используется только одна база. Многошкальные антенные системы реализуются только в том случае, когда необходимо определять ориентацию в трех плоскостях. При этом для раскрытия неоднозначности используются переборные методы, реализующие процедуру поиска максимально правдоподобной оценки параметра неоднозначности.
Основным недостатком этих методов является необходимость наблюдения максимально возможного количества НКЛ (для раскрытия неоднозначности за время порядка 1 минуты необходимо не менее 7 НКА [26,27]), в то время как для решения задачи определения абсолютных координат потребителя достаточно измерений по 4 НКА. В том случае, когда для раскрытия неоднозначности привлекаются измерения, полученные в другие моменты времени, дополнительно необходимо решать задачи обеспечения непрерывности слежения за сигналом НКА, а также обнаружения и исправления ошибок, вызванных сбоями в работе схем ФАПЧ несущей частоты.
От указанных недостатков свободны методы раскрытия неоднозначности, основанные на использовании свойств коллинеарного неэквидистантного многошкалыюго интерферометра, широко применяемые в радиоастрономии и радиопеленгации. Если длину наименьшей базы выбрать меньше половины длины волны несущих колебаний, то можно обеспечить однозначность измерения разности хода на этой базе и, используя известные методы решения систем линейных уравнений, последовательно раскрывать неоднозначность и определять угловую ориентацию на остальных базах интерферометра.
Ограничением для такого подхода в угломерной НАП является сложность построения антенной системы, удовлетворяющей указанным требованиям. Во-первых, геометрические размеры антенн, используемых для решения задач определения угловой ориентации, часто превосходят половину длины волны. Во-вторых, для обеспечения требуемой точности определения угловой ориентации необходимо построение системы с более чем двумя базами. В тоже время, как будет показано ниже, в угломерной НАП требование однозначности измерения на малой базе не является обязательным, поскольку имеются другие источники получения информации о разности хода сигналов. Данное обстоятельство открывает новые возможности для использования многошкальных методов раскрытия неоднозначности в такой аппаратуре. Именно этот подход используется в данной работе.
Актуальность данной работы определяется тем, что, несмотря на большой научно-технический задел в вопросе раскрытия неоднозначности фазовых измерений в угломерной НАП, полностью данная задача не исследована.
Целью диссертационной работы является анализ, разработка и исследование методов совершенствования характеристик угломерной навигационной аппаратуры на основе беспереборных методов раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты сигналов НКА СРНС ГЛОНАСС и GPS в угломерной НАП с многошкальной коллинеарной антенной системой.
При этом особое внимание уделено рассмотрению алгоритмов, основанных на использовании открытых сигналов СРНС (СТ в системе ГЛОНАСС и С/А в системе GPS), позволяющих решать задачи определения ориентации широкому кругу потребителей. По этой причине в диссертации не рассматриваются многочастотные методы раскрытия неоднозначности, предполагающие использование закрытых сигналов СРНС.
В работе решены следующие основные задачи:
проведен анализ современных подходов и достижений в вопросе решения задачи раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодоплеровской частоты в угломерной НАП, построенной по принципам радиоинтерферометрии, позволивший выявить неисследованные возможности по реализации процедуры раскрытия неоднозначности;
показана возможность привлечения измерений псевдодальности к решению задачи раскрытия неоднозначности фазовых измерений при реализации антенной системы НАП в виде радиоинтерферометра с коллинеарными неэквидистантными базами;
на основе данных анализа предложен метод раскрытия неоднозначности, позволяющий определять параметры ориентации объекта с частотой следования отсчетов первичных измерений (псевдодалыюсти и фазы);
исследована зависимость количества баз в интерферометре от точности измерения радионавигационных параметров (псевдодальности и фазы) и подтверждена возможность сокращения количества баз и геометрических размеров интерферометра за счет повышения точности измерения исевдодальности путем сглаживания с помощью приращений измерений фазы псевдодоплеровской частоты;
исследованы особенности реализации разработанного беспереборного метода раскрытия неоднозначности при использовании измерений по сигналам НКА системы ГЛОНАСС, использующей частотное разделение сигналов;
предложен способ обнаружения искажений измерений фазы, вызванных сбоями в работе схемы фазовой автоподстройки частоты (ФАПЧ), использующий возможности представленного метода раскрытия неоднозначности и не имеющий ограничений, обусловленных динамикой потребителя;
на основе полученных результатов разработан алгоритм работы угломерной ПАП, реализующий предложенный метод раскрытия неоднозначности;
проведено лабораторное исследование алгоритма работы угломерной НАП на серийно выпускаемых навигационных приемниках и представлены полученные экспериментальные результаты.
На защиту выносятся следующие основные положения: В диссертационной работе получены следующие новые результаты, выносимые на защиту:
беспереборный метод раскрытия неоднозначности фазовых измерений в угломерной НАП с многошкалыюй антенной системой, позволяющий отказаться от ограничения на однозначность фазового измерения на малой базе и учитывающий особенности использования измерений по сигналам системы ГЛОНАСС, использующей частотное разделение сигналов НКА;
методика и соотношения для определения оптимальных параметров антенной системы радиоинтерферометра, учитывающие особенности
использования одночастотных открытых сигналов спутниковых радионавигационных систем и позволяющие реализовывать беспереборную процедуру раскрытия неоднозначности;
теоретическое обоснование и экспериментальное подтверждение возможности сокращения размеров антенной системы за счет повышения точности измерения псевдодальности с помощыо совместной обработки псевдодальномерных и фазовых измерений;
обоснование необходимости калибровки НАП при раскрытии неоднозначности фазовых измерений но сигналам НКА системы ГЛОНАСС многошкальным методом с целью определения поправок к измерениям, вызванным неидентичностыо характеристик группового времени запаздывания (ГВЗ);
решающее правило процедуры начального определения параметров антенной системы (инициализации) угломерной навигационной аппаратуры;
методика и результаты экспериментального исследования работоспособности разработанных методов раскрытия неоднозначности на опытном образце угломерной аппаратуры, реализующем предложенную структуру и алгоритм.
Диссертация состоит из введения, четырех глав, заключения, трех приложений и списка литературы.
В первой главе рассмотрены основные принципы решения задач определения угловой ориентации с помощью измерений фазы псевдодоплеровской частоты в ПАП, построенной по принципу радиоинтерферометра. При этом информация об ориентации объекта содержится в разностях первичных измерений навигационных параметров (первые, вторые или третьи разности). Исходя из аппаратной архитектуры НАП, определены математические модели отсчетов измерений навигационных параметров — псевдодальности и псевдодоплеровской фазы. Проведен анализ и получены оценки СКО измерений псевдодалыюсти и фазы псевдодоплеровской частоты, не компенсируемых при формировании первых и вторых разностей
ошибок. Приведена классификация методов раскрытия неоднозначности измерений фазы псевдодонлеровской частоты. Применительно к каждому методу рассмотрены основные принципы реализации процедуры раскрытия неоднозначности, отмечены их достоинства и недостатки.. При этом особое внимание уделено рассмотрению использования открытых сигналов СРНС (сигнал СТ в системе ГЛОНАСС, сигнал С/А в системе GPS). Отмечены особенности обработки измерений, формируемых по сигналам СРНС ГЛОНАСС, обусловленные разностыо номинальных значений несущих частот НКА. Выявлены неисследованные до настоящего момента возможности по реализации процедуры определения параметров фазовой неоднозначности (ПФН) на этапе предварительной обработки измерительной информации за счет реализации антенной системы НАП в виде многошкального коллинеарного неэквидистантного интерферометра.
Вторая глава диссертационной работы посвящена решению задачи синтеза метода определения ПФН в угломерной НАП с многошкальной коллинеарной антенной системой и определению возможности его практического применения. Представлены законченные выражения для определения значений ПФН на этапе предварительной обработки информации беспереборным методом. Предложены два метода повышения вероятности правильного раскрытия неоднозначности. В явном виде получены выражения для оценки количества баз в интерферометре и границ области возможных значений отношения длин базовых линий при заданной вероятности правильного раскрытия неоднозначности. Особое внимание уделено рассмотрению особенностей применения предложенных методов в случае раскрытия неоднозначности измерений по сигналам НКА СРНС ГЛОНАСС, использующей частотный метод разделения сигналов. Показана необходимость проведения предварительной калибровки приемников, входящих в НАП, при раскрытии неоднозначности фазовых измерений по сигналам НКА ГЛОНАСС с целью определения поправок к измерениям для учета неидентичности характеристик ГВЗ приемников.
В третьей главе диссертации рассматривается структура и особенности функционирования отдельных блоков алгоритма работы угломерной НАП, реализующей беспереборный метод раскрытия неоднозначности. Отмечено, что в полностью автономной НЛП, использующей только открытые сигналы СРНС, процедура начального определения параметров антенной системы МАП (длин базовых линий) может быть реализована с помощью переборных процедур определения ПФН, основанных на привлечении вторых разностей измерений, полученных в различные моменты времени. Для этих процедур предложена реализация решающего правила, обеспечивающего заданную вероятность правильного раскрытия неоднозначности. Исследована возможность привлечения к решению задачи беспереборного определения ПФН в НАП с многошкальной коллинеарной неэквидистантной антенной системой максимально правдоподобных оценок относительных координат, получаемых с помощью однозначных измерений псевдодалыюсти и фазы. На основании разработанного многошкального метода определения ПФН предложена процедура обнаружения и исправления искажений фазовых измерений, вызванных сбоями в работе ФАПЧ.
В четвертой главе представлены методика и результаты экспериментального исследования предложенного беспереборного метода определения ПФН. Приведены экспериментальные зависимости СКО измерений первичных навигационных параметров в зависимости от угла места НКА системы GPS и при различном количестве отсчетов, используемых при сглаживании. На основании полученных данных определены оптимальные параметры интерферометра с двумя коллинеарными базами. Проведен сравнительный анализ теоретических и экспериментальных зависимостей вероятностей правильного раскрытия неоднозначности от угла места НКА при работе по сигналам системы GPS с различными типами антенн, подтвердивший правильность полученных выражений для оценки ПФН. Представлены экспериментальные результаты, подтверждающие необходимость калибровки приемников с целью определения величин расхождений характеристик ГВЗ ВЧ
трактов при раскрытии неоднозначности фазовых измерений по сигналам НКЛ системы ГЛОНАСС. Приведены теоретические и экспериментальные зависимости вероятности правильного раскрытия неоднозначности от угла места НКА при использовании сигналов системы ГЛОНАСС. Представлены результаты экспериментального сравнения, предложенного в главе 3 и рассматриваемого в работах [19,43] решающего правила, используемого при реализации процедуры раскрытия неоднозначности в ходе начального определения параметров антенной системы НАП.
В заключении приведена общая характеристика диссертационной работы, а также основные выводы по теоретическим и экспериментальным результатам, представленным в работе.
Результаты исследований использованы при выполнении НИР и ОКР по Федеральной Целевой Программе «Глобальная навигационная система». Практическое использование результатов диссертационной работы подтверждено соответствующими актами о внедрении (Приложение 3).
Основные результаты работы отражены в статье в журнале «Вестник МГТУ, Серия Приборостроение» [49], а также докладывались на трех конференциях но радионавигационным системам и системам связи [50-52].
Проблема высокоточного углового позиционирования по сигналам СРНС
В основу построения аппаратуры, решающей задачу определения угловой ориентации, заложены принципы радиоинтерферометрии (рис. 1.2). В спутниковых радионавигационных системах при больших удавлениях объекта от НКА и малой базе, т.е. малом расстоянии между приемными антеннами можно считать фронт приходящей волны плоским и линии, соединяющие приемные антенны с источником, - параллельными.
Поскольку в системах спутниковой навигации 2-го поколения отсутствует синхронизация между источни ками сигнала и приемниками, то измерить разность хода можно только в пределах интервала однозначности используемого типа измерений. При работе по открытым сигналам С/А системы GPS и СТ системы ГЛОНЛСС интервал однозначного измерения дальности определяется длительностью дальномерной ПСП, равной 1 мс, и составляет около 300 км. Алгоритм раскрытия неоднозначности исевдодалыюмерных измерений основан на синхронизации шкал времени НАП и системы и подробно описан в [10]. Поэтому измерения псевдодальности можно считать однозначными, однако низкая точность (СКО порядка 5 м) не позволяет использовать нсевдодальномерные измерения для решения задач прецизионного позиционирования.
Применить аналогичный алгоритм для решения задачи раскрытия неоднозначности фазовых измерений при абсолютном позиционировании нельзя из-за ошибок эфимеридного обеспечения и временной синхронизации шкал времени НКА и системы, значения которых составляют величины порядка 5 и 10 м соответственно для системы GPS [4,5], что превосходит длину волны несущих колебаний сигналов НКА, которая составляет 19 см. Однако при оценке разности хода сигналов данные ошибки являются систематическими и не оказывают влияния на оценку величины Аг. При этом точность измерения разности хода сигналов по фазовым измерениям составляет несколько мм (СКО), что позволяет после раскрытия неоднозначности использовать их для решения задачи высокоточного определения угловой ориентации объектов.
Нулевым значениям измеряемой разности фаз соответствуют расстояния, длина которых точно равна целому числу длин волн. Этим значениям расстояний на земной поверхности отвечает определенное семейство линий положения. Часть земной поверхности, ограниченная двумя соседними линиями положения этого семейства, называется дорожкой [9].
При измерении расстояний фазовым способом НАП вырабатывает информацию о нахождении ее внутри дорожки; информация о том, внутри какой дорожки находится приемник, определяется в результате устранения многозначности фазовых измерений. Этот процесс называется раскрытием неоднозначности фазовых измерений.
Интерферометр с одной базой позволяет определить ориентацию объекта в двух плоскостях. При необходимости определения ориентации объекта в трех плоскостях интерферометр должен иметь две непараллельные базы.
Интерферометр, геометрия антенной системы которого позволяет выделить в его составе несколько баз (две и больше), называется многобазовым. Взаимосвязь измерений, формируемых на различных базах, определяется геометрией системы. На рисунке 1.3 приведены примеры построения многобазовых интерферометров. Если интерферометр образован набором коллинеарных неэквидистантных баз, то он называется многошкальным.
До настоящего времени при необходимости определять угловую ориентацию только одной оси антенная система угломерной спутниковой радионавигационной аппаратуры имела в своем составе одну базу. При этом для обеспечения СКО порядка нескольких угловых минут длина базовой линии должна составлять несколько метров. При такой длине базовой линий возникает необходимость в раскрытии неоднозначности. Нашедшие в настоящее время широкое практическое применение переборные методы раскрытия неоднозначности в угломерной НЛП реализуют процедуру поиска максимально правдоподобной оценки значения неоднозначности.
Основными недостатками этих методов являются необходимость наблюдения как можно большего числа НКЛ (не менее 7 для раскрытия неоднозначности за время порядка 1 минуты [26,27]), в то время как для решения задачи определения абсолютных координат потребителя достаточно измерений по 4 НКЛ. В том случае, когда для раскрытия неоднозначности привлекаются измерения, полученные в другие моменты времени, необходимо дополнительно решать задачи обеспечения непрерывности слежения за сигналом НКЛ, а также обнаружения и исправления ошибок, вызванных перескоками в работе схем ФЛПЧ несущей частоты. От указанных недостатков свободны методы раскрытия неоднозначности, основанные на использовании свойств коллинеарного неэквидистантного многошкалыюго интерферометра (рис. 1.3а) и широко применяемые в радиоастрономии и радиопеленгации. Если длину базы А0А, выбрать меньше половины длины волны несущих колебаний, то можно обеспечить однозначность измерения разности хода на этой базе и, используя известные методы решения систем линейных уравнений, последовательно раскрывать неоднозначность и определять угловую ориентацию на остальных базах интерферометра. Ограничением для такого подхода в угломерной НАП является сложность построения антенной системы, удовлетворяющей указанным требованиям. Во-первых, геометрические размеры антенн, используемых для решения задач определения угловой ориентации, часто превосходят половину длины волны. Во-вторых, для обеспечения требуемой точности определения угловой ориентации необходимо построение системы с более чем двумя базами. В то же время, как будет показано ниже, в угломерной НАП требование однозначности измерения на малой базе не является обязательным, поскольку имеются другие источники получения информации о разности хода сигналов, что открывает новые возможности для использования многошкальных методов раскрытия неоднозначности в такой аппаратуре. Именно этот подход используется в данной работе.
Метод приведения отсчетов первичных измерений к общему времени излучения сигнала
Представленный в разделе 2.1 алгоритм раскрытия неоднозначности подразумевает, что навигационные приемники, входящие в состав НЛП, принимают сигнал НКЛ, излученный в один момент времени. Несмотря на то, что в СРНС отсутствует синхронизация между приемниками и НКЛ, т.е. шкала времени каждого из них определяется местным генератором, момент излучения принятых сигналов можно определить в одной шкале времени (шкале времени НКЛ) с помощью измерений псевдодальности (1.2): t„ = tn--, (2.19) с где tn момент приема сигнала по шкале времени навигационного приемника. В общем случае, принятые в точках Л0,Л! и А2сигналы были излучены в различные моменты времени t„Ao, tllA. и tllAo по шкале времени НКЛ. Для реализации процедуры раскрытия неоднозначности (2.12) и (2.18) необходимо привести измерения к моменту излучения t„A . Поправку к измерениям псевдодальности, полученным в точке Л,, можно рассчитать следующим образом: РЛі = -Al(tnAi)_ Al(tnA0) где RAl(t„) = A/(XHKa(tH)-XAl)2+(YHKa(tH)-YAl)2+(ZHK,(tH)-ZAl)2. Поправка к фазовым измерениям определяется согласно выражению: SAi =PAI (2.21) Аналогичным образом могут быть рассчитаны поправки к измерениям, формируемым в точке А2. Для получения поправок к измерениям (2.20) и (2.21) необходимо знать координаты точки стояния антенны, которые можно определить с помощью измерений нсевдодальности, решив стандартную навигационную задачу [4]. При этом минимально необходимый размер созвездия НКА для определения координат антенны равен 4 при работе по сигналам одной навигационной системы и 5 при использовании сигналов двух систем. Меньшее количество НКА не позволит произвести коррекцию первичных измерений и раскрыть неоднозначность фазовых измерений.
Полученные выражения (2.22) и (2.23) позволяют реализовать беспереборную процедуру раскрытия неоднозначности при использовании сигналов НКА системы GPS. Особенности реализации алгоритма применительно к системе ГЛОНАСС рассматриваются в следующем разделе.
Как уже отмечалось в разделе 1.2., отличительной особенностью системы ГЛОНАСС является частотное разделение сигналов, излучаемых различными НКА. Это приводит к тому, что компенсировать составляющие (AtA0A! +AtnpM AQAI) и (AtA()A2 + AtnpM Аод2 ), входящие в выражение (2.8), формированием вторых разностей нельзя.
Характеристика ГВЗ навигационного приемника зависит от параметров оконечного фильтра аналоговой высокочастотной части (ВЧ) приемника. Как правило, этот фильтр является фильтром на поверхностных акустических волнах (ПАВ) и характеризуется хорошей повторяемостью параметров [14]. Однако отклонения реальных значений от параметров спецификаций могут достигать десяти не (см. приложение 1).
Для упрощения выражений рассмотрим влияние ошибок на работу алгоритма на примере измерений по сигналам НКА системы GPS.
Как уже отмечалось в разделе 1.5.5, для реализации беспереборной процедуры раскрытия неоднозначности в фазовом интерферометре с коллинеарными неэквидистаными базами необходимо следить за тем, чтобы при переходе с одной базы на другую ошибка определения значения разности хода с помощью однозначных измерений псевдодальности или фазы не превышала интервала однозначности фазовых измерений.
Ошибка измерения разности хода при использовании вторых разностей измерения определяется некомпенсируемыми шумовыми и динамическими составляющими ошибки измерения псевдодальности с и фазы 5, а также искажениями и. и rj, вызванными многолучевым характером распространения сигналов.
Анализ результатов расчетов по формулам (2.34) и (2.36) области возможных значений отношения длин баз на основе данных таблицы 1 показал, что одновременное удовлетворение обоим условиям возможно при отношении длин базовых линий порядка 40 и вероятности порядка 0,75. Подобные параметры антенной системы существенно ограничивают возможности практического применения данного метода без принятия дополнительных мер, направленных на повышение точности измерения псевдодалыюсти и фазы.
Повысить вероятность правильного раскрытия неоднозначности можно введением дополнительных промежуточных баз, которые позволили бы реализовать беспереборную процедуру раскрытия неоднозначности на большоіі базе, путем постепенного перехода от меньших баз к большим. При этом для определения ПФН на каждом шаге необходимо использовать (2.23).
Подставляя в (2.38) значения СКО измерения навигационных параметров из таблицы 1, длину волны сигналов СРНС GPS и значение квантиля, соответствующее вероятности правильного определения ПФН 0,9973, получаем, что количество баз должно быть 3. Таким образом, используя единичные измерения псевдодалыюсти и фазы, можно в НЛП с 3 коллинеарными базами (отношение длин ближайших из них не превышает 7, а между наибольшей и наименьшей превосходит 245) реализовать беспереборную процедуру раскрытия неоднозначности согласно выражениям (2.22) и (2.23).
Эффективным способом сокращения количества базовых линий и их отношения является уменьшение ошибки измерения навигационных параметров. Снизить значение нижней границы диапазона возможных значений отношения длин базовых линий можно путем сглаживания измерений псевдодальности с помощью приращений измерений фазы.
Алгоритм работы угломерной навигационной аппаратуры
Независимо от аппаратной реализации угломерной ІІЛГІ ее программное обеспечение (ПО) помимо стандартных задач обнаружения и сопровождения сигналов НКЛ навигационными приемниками; выполнения всех функции стандартного навигационного приемника (определение вектора координат и скорости, прием и формирование дифференциальных поправок, и т.д.); должно также управлять приемниками, входящими в НЛП, таким образом, чтобы они формировали первичные измерения по одним и тем же НКЛ; реализовывать процедуру раскрытия неоднозначности фазовых измерений и определения параметров ориентации объекта; выявлять и исправлять ошибки, вызванные сбоями в работе схем ФАПЧ несущей частоты.
Алгоритм определения ориентации объекта, включающий процедуру раскрытия неоднозначности и связанные с ним служебные функции, представляет собой отдельный независимый блок ПО угломерной НЛП. В данной главе рассматривается структура данного алгоритма (рис. 3.1) и его основные составляющие, не рассмотренные ранее.
В структуре алгоритма определения ориентации объекта полностью автономной НАП можно выделить три составные части: синхронизация и формирование общего массива первичных измерений; определение параметров антенной системы НЛП (инициализация); определение параметров ориентации объекта. Угломерная НЛП является наиболее сложной аппаратурой спутниковой навигации, поэтому в настоящее время разработано несколько подходов к аппаратной реализации навигационной аппаратуры данного класса. В общем случае в составе любой угломерной НАП можно выделить: антенную систему; тракты высокой частоты; тракты цифровой обработки сигналов; блок определения вектора состояния и параметров ориентации потребителя.
Как уже отмечалось в главе 1, антенная система любой угломерной НЛП реализует принцип радиоинтерферометрии и состоит из нескольких антенн (минимум 2-х).
В наиболее простом случае, в навигационной аппаратуре реализован один навигационный приемник, например Trimble TansVector [38], на вход которого через антенный коммутатор последовательно подаются сигналы всех антенн. Основным недостатком данной схемы является невозможность формировать измерения в один момент времени.
Более сложной является схема с общим ВЧ тактом, например приемник МРК - 11 [39, 40]. При такой аппаратной реализации сигналы от различных антенн умножаются на выходе приемных антенн на индивидуальные ПСП, позволяющие различить их, усиливаются, фильтруются и переносятся на низкую частоту в общем ВЧ тракте. Дальнейшая обработка сигналов различных антенн производится независимо в отдельных цифровых схемах. При подобном подходе обеспечивается равенство задержек сигналов в тракте приемников, что важно при обработке сигналов НКЛ системы ГЛОНАСС, использующей частотное разделение сигналов, поскольку позволяет отказать от проведения процедуры калибровки (раздел 2.3). Недостатком указанного метода является наличие дополнительных энергетических потерь, поскольку сигналы различных антенн являются помехой друг для друга.
В настоящее время наиболее простым аппаратным решением является реализация угломерной НЛП на основе стандартных навигационных приемников (Javad HD2 и HD4, FURUNO SC-120) [27, 41]. При этом сигнал каждой антенны обрабатывается независимо своим приемником, т.е. проходит через индивидуальные ВЧ и цифровые тракты.
Необходимо отметить, что при обработке сигналов НКЛ системы ГЛОНЛСС для обеспечения постоянства в течение всего навигационного сеанса составляющей Abj + AtnpMn (разделы 1.3, 2.3) приемники должны иметь обший опорный генератор. Для обработки сигналов системы GPS наличие общего генератора необязательно.
Комплексирование стандартных навигационных приемников так же позволяет избежать сложностей, связанных с созданием коммутаторов. Низкая стоимость отдельных навигационных приемников, малые массогабаритные характеристики и отработанность технологической цепочки их создания делает данный вариант аппаратной реализации угломерной НАП наиболее рациональным.
В стандартном навигационном приемнике блок определения параметров вектора состояния реализован на одном процессоре с цифровыми схемами ССЗ и ФАПЧ. В том случае, если производительности процессора достаточно для решения еще и задачи определения параметров ориентации потребителя, ее можно возложить на процессор одного из приемников [41]. Альтернативным подходом, является возложение данной задачи на отдельный вычислительный блок.
Описание экспериментальной установки
Для решения задачи экспериментального исследования алгоритма работы угломерной НАП был создан экспериментальный стенд (рис.4.1), в состав которого входили макет угломерной НАП (1), источник питания (2), ПЭВМ (3) и комплекты кабелей (4,5). В ходе всех этапов эксперимента ПЭВМ принимала по последовательному интерфейсу RS-232 и сохраняла первичную навигационную информацию, формируемую НАП.
Образец угломерной НАП, использовавшийся для проведения испытаний создан во ФГУП РІІИИ КП. Его структурная схема и фотография представлены на рисунках 4.2 и 4.4 соответственно. В состав угломерной навигационной аппаратуры потребителя входят: три активные антенны (1); три 12 канальных параллельных одноплатных навигационных приемника, объединенные в одном приборе (2); блок питания (3); опорный генератор (4); ПЭВМ РС-104 с платой расширения на четыре последовательных порта RS-232 (5); комплекты кабелей (6-9).
Исследование методов раскрытия неоднозначности проводились на двух типах антенн геодезического класса. В конструкции антенн первого типа присутствует фланец, представляющий собой семейство концентрических колец, являющихся четвертьволновыми трансформаторами (технология Choke Ring (англ.)). Использование данного фланца позволяет уменьшить прием сигналов отраженных от подстилающей поверхности, что делает данный тип антенн наиболее широко применяемым в тех случаях, когда стремятся максимально уменьшить аппаратную ошибку измерения. Второй тип является наиболее распространенным видом геодезических антенн, поскольку отказ от использования фланца, позволяет сократить их геометрические размеры и стоимость, при некотором ухудшении точности измерения навигационных параметров. Первый тип представлен антеннами Ashtech Choke Ring, второй антеннами Javad MarAnt (см. приложение 2).
Для проведения эксперимента было разработан пакет ПО, в состав которого входят: программа для ПЭВМ типа PC-104, написанная на языке С, позволяющая реализовать управление угломерным навигационным комплексом, определение параметров ориентации, а также выдачу результатов навигационных определений и массивов первичных измерений по двум последовательным портам RS-232; программа WinFRP (рис. 4.3), написанная в среде Microsoft Visual C++, для ПЭВМ типа IBM PC под управление операционной системы (ОС) Microsoft Windows NT/98/2000/ME/XP, позволяющая принимать информацию, выдаваемую навигационным комплексом, сохранять результаты навигационных определений на жестком диске ПЭВМ.
Программное обеспечение угломерной НАП использует порт СОМ 1 для выдачи результатов навигационных определений. Порт СОМ 2 является портом выдачи телеметрической информации о работе алгоритмов определения параметров ориентации антенной системы НАП. По нему осуществляется выдача массивов первичных измерений и эфемеридной информации, принятых от приемников по трем последовательным портам СОМ 3 - СОМ 5.
Данный алгоритм работы ПО ПАП позволяет полностью реализовать программу экспериментов в режиме после экспериментальной обработки. Специально разработанный модуль программы WinFRP, используя массивы телеметрической информации, сохраненные на жестком диске ПЭВМ (3), входящей в состав стенда, позволяет получить экспериментальные вероятностные характеристики беспереборной процедуры раскрытия неоднозначности, а также вероятностные и временные характеристики решающего правила переборной процедуры определения векторов ПФН.
Полученные в ходе экспериментов первичные измерения и результаты навигационных определений использовались для отработки рабочих программ с целью оптимизации разрабатываемых алгоритмов Фотография экспериментального образца угломерной НАП 4.3. Результаты экспериментального исследования алгоритма работы угломерной навигационной аппаратуры.
Продолжительность каждой серии экспериментов по сигналам системы GPS составляла 12 часов, что равно периоду обращения НКА этой системы. Таким образом, в ходе эксперимента были рассмотрены все возможные сочетания рабочих созвездий, которые возможны в точке наблюдения.
В ходе первой части эксперимента исследовалась зависимость СКО измерения второй разности единичных измерений псевдодальности и фазы в зависимости от угла места второго НКА, участвующего в формировании разности первичных измерений. В ходе эксперимента положение базового НКА системы GPS изменялось в течение сеансов с 52 - 90.
Результаты оценки СКО второй разности псевдодальности измерений по сигналами GPS приведены на рисунке 4.5. По оси ординат отложена величина СКО в метрах, по оси абсцисс — диапазон углов места НКА, образующего пару с базовым спутником. На этом же рисунке приведены зависимости оценки СКО при использовании сглаживания измерений псевдодалыюсти с помощью приращений фазовых измерений по 10 и 500 отсчетам.
На заключительном этапе экспериментального исследования производилось определение вероятностей правильного раскрытия неоднозначности на обеих базах двухшкального интерферометра. При этом вероятность правильного раскрытия неоднозначности на большой базе определялась как произведение вероятности на малой базе по измерениям псевдодальности на вероятность на большой базе по однозначным измерениям фазы. Полученные значения СКО измерения навигационных параметров при сглаживании но 500 отсчетам (рис. 4.5 - 4.7 и табл. 2) и реальные значения отношений длин базовых линий позволили определить с помощью (2.37) ожидаеміле теоретические значения вероятностей правильного раскрытия неоднозначностей на обеих базах, которые также как и экспериментальные кривые приведены на рисунке 4.9.
На основании полученных зависимостей вероятностей правильного раскрытия неоднозначности можно сделать выводы об экспериментальном подтверждении возможности практической реализации беспереборной процедуры определения ПФН в двухбазовом интерферометре с вероятностью не хуже 0,97 при использовании измерений псевдодальности и процедуры сглаживания псевдодальномерных измерений с помощью приращений измерений фазы для НКЛ с углами места более 10. Совместная вероятность правильного раскрытия неоднозначности на обеих базах при этом будет порядка 0,95.
Для исследования работы по сигналам системы ГЛОНАСС были проведены три эксперимента - два длительностью 1 час и один длительностью 24 часа. Проведение 8 суточных испытаний не представляется целесообразным, поскольку с настоящее время система ГЛОНЛСС функционирует в сокращенном составе (9 НКЛ), и не может постоянно обеспечить наблюдение минимального рабочего созвездия из четырех навигационных спутников. Все эксперименты проводились только с антеннами 1 типа. Первый часовой сеанс (9:25:00 - 10:24:59 05/06/2003) проводился на нулевой базе, когда все приемники НЛП были подключены к одной антенне. Второй часовой (17:40:00 - 18:39:59 06/06/2003) и суточный сеанс (15:00:00 05/06/2003 - 14:59:59 06/06/2003) проводились при тех же параметрах антенной системы, что и при исследовании работы по сигналам системы GPS.
