WWW.DISSERS.RU

БЕСПЛАТНАЯ ЭЛЕКТРОННАЯ БИБЛИОТЕКА

загрузка...
   Добро пожаловать!

Pages:     | 1 || 3 | 4 |

Основная задача определения служебных параметров рассмотрена в двух постановках: с уточнением только служебных параметров и с уточнением наряду со служебными параметрами приемника и кинематических параметров. При уточнении только служебных параметров используется априорная информация о векторе положения приемника. В этом случае для определения служебных параметров требуется не менее трех измерений псевдоскорости и псевдодальности. В случае одновременного уточнения служебных параметров и вектора состояния приемника требуется не менее пяти измерений.

Поиск условного минимума квадратичной формы (4) производится методом Ньютона.

Разработанные методы и алгоритмы положены в основу программного комплекса, позволяющего обрабатывать измерения различных типов приемников. Этим программным комплексом выполнена обработка измерений четырех типов наземных приемников и одного бортового. Использованы измерения следующих типов наземных приемников:

Ashtech Z-XII3, Trimble 4000SSE, AOA SNR-12 ACT и приемника, разработанного РНИИ КП. Бортовые измерения получены приемником КА Champ научного назначения, находящегося на околокруговой орбите с наклонением 87° и периодом 93.55 минут. В диссертации приведены результаты обработки этих измерений. Таблица 1 содержит диапазоны найденных служебных параметров.

Таблица 1. Динамика служебных параметров различных типов приемников на суточном интервале Тип приемника Диапазон значений Смещения шкалы Сдвиг фазы Смещение частоты времени [м] задающего генератора [c] fg [м/с] Min Max Min Max Min Max Ashtech Z-XII3 -0.01 0.01 -70965.0 -70920.0 -0.1 0.Trimble 4000SSE -0.01 0.01 -149896.0 149896.0 170.0 188.AOA SNR-12 ACT -0.02 0.02 280.0 325. Приемник РНИИ -0.10 0.02 -149896.0 149896.0 127.0 -112.КП Приемник КА -0.05 0.05 -600.0 600. Champ Для приемника, установленного на борту КА Champ, и приемника AOA SNR-ACT оценки значений смещения частоты задающего генератора f не приведены, т.к. у данных приемников отсутствуют измерения псевдоскорости.

На рис.1 показаны примеры поведения служебных параметров на суточном интервале измерений. На рис. 1 а) - смещения шкалы времени приемника РНИИ КП в секундах; На рис. 1 б) - сдвиг фазы псевдошумовой последовательности бортового приемника КА Champ в метрах. На рис. 1 в) - смещение частоты задающего генератора приемника РНИИ КП выраженное в [м/с].

В работе получены апостериорные оценки точности определения кинематических параметров системы для измерений псевдоскорости и псевдодальности отечественного приемника, разработанного РНИИ КП и установленного в ИПМ. Наряду со служебными параметрами найдены и кинематические параметры, предельная точность которых составляет 45 м по положению и 10 см/с по скорости.

Рис. 1. Служебные параметры приемников Результаты исследований, представленные в первой главе:

- разработан алгоритм определения служебных параметров приемника;

- приведена обработка и получены временные ряды служебных параметров приемников различных типов;

- разработан алгоритм апостериорной оценки точности определения вектора состояния приемника.

Вторая глава диссертационной работы посвящена исследованию статистических свойств случайных процессов, описывающих поведение служебных параметров. Изучены составляющие ошибок основных источников измерений. В аналитическом виде представлены функции распределения аппаратных ошибок измерений псевдоскорости и псевдодальности.

Случайные процессы, описывающие поведение служебных параметров во времени, представляются процессами авторегрессии 1-го порядка:

i +1 = i +,i, i+1 = i +, fi+1 = fi +, (6),i f,i где i - сдвиг шкалы времени приемника относительно шкалы времени системы на момент i -го измерения;

,i - случайная величина, описывающая изменение сдвига шкалы времени приемника между i -ым и i +1-ым измерениями;

i - сдвиг фазы псевдошумовой последовательности относительно псевдошумовых последовательностей, излучаемых с борта навигационных спутников на момент регистрации сигнала;

,i - случайное изменение сдвига фазы псевдошумовой последовательности между i -ым и i +1-ым измерениями;

fi - уход частоты задающего генератора на момент i -го измерения;

f,i - случайное изменение ухода частоты задающего генератора между i -ым и i +1-ым измерениями.

В работе разработаны методы и алгоритмы получения среднеквадратичных отклонений (СКО),, случайных величин,i,,i, f,i. По результатам f обработки годовой базы измерений приемника эти величины составляют 10-3 [c] за секунду по времени регистрации сигнала, 7.746 [м] за секунду по фазе генерации псевдошумовой последовательности и 0.0359 [м/c] по уходу частоты задающего генератора для измерений приемника, разработанного РНИИ Космического приборостроения и установленного в ИПМ РАН. Математические ожидания случайных величин,i,,i, f,i равны нулю.

В главе рассмотрены источники ошибок измерений псевдодальности, которые разделены на три группы: погрешности эфемеридного обеспечения навигационных КА;

погрешности измерений, вызываемые атмосферой Земли, и погрешности, вносимые аппаратно-программным комплексом потребителя.

Погрешности эфемеридного обеспечения навигационных КА состоят из ошибок модели движения спутниковой навигационной системы и ошибок прогноза данных этой модели. Для статистической оценки эфемеридной ошибки навигационной системы GPS взяты эталонные векторы положения навигационных КА с дискретностью 15 минут. Эти векторы положения получаются в ходе решения обратной задачи по уточнению орбиты навигационных КА на основе измерений базовой сети, состоящей из 600 точно привязанных GPS-станций и доступны в сети Internet. Анализ сравнения накопленной в ИПМ двухгодичной базы эфемерид системы GPS с апостериорно уточненными векторами состояния навигационных КА показал, что ошибка в знании кинематических параметров движения навигационных КА составляет 4.46 м по положению и 0.001 м/c по скорости. На основе проведенных вычислительных экспериментов c эталонными значениями эфемерид навигационных КА выявлено, что эфемеридная ошибка приводит к увеличению СКО определения вектора состояния на один метр по положению и на доли миллиметра по скорости.

Неоднородность диэлектрической проницаемости ионосферы вызывает искривление траектории сигнала, что приводит к дополнительной задержке для времени распространения сигнала от навигационного КА до приемника. Для оценки влияния ионосферной составляющей, и устранения из невязок измерений использованы измерения псевдодальности на двух частотах. В силу обратной пропорциональности ионосферной задержки сигнала квадрату несущей частоты, соотношение для расчета ионосферной задержки на частоте L1 имеет вид:

fLi = (PRi L1(t) - PRi L2 (t)), (7) Lf - fLLгде PRi L1(t), PRi L2 (t) - измерения псевдодальности от i-го навигационного КА на частотах fL1 = 1575.42 Мгц и fL2 = 1227.60 Мгц.

При разработке алгоритмов бортовой автономной навигационной системы следует исходить из минимальных возможностей приемника, т.е. использование только одной частоты, что не обеспечивает исключение ионосферной составляющей ошибки.

В результате обработки измерений по пяти типам приемников на недельной мерной базе получено, что среднее значение ионосферной составляющей ошибки равно 10 м.

Среднеквадратическое отклонение изменяется в пределах 3-4 метров в зависимости от типа приемника и места его расположения. Максимальное значение ионосферной ошибки составило 160 метров. На основе проведенных вычислительных экспериментов по обработке измерений GPS-станций сделан вывод: учет ионосферной поправки псевдодальности уменьшает систематическую ошибку порядка 5 метров в определении вектора положения наземного наблюдателя.

При вычислении тропосферной составляющей ошибки измерений псевдодальности использовались измерения температуры, давления воздуха и парциального давления водяного пара. Среднеквадратичная составляющая тропосферной ошибки измерений псевдодальности составила 3 м, средняя - 6 метров, а максимальная - 42 м. Учет тропосферной поправки псевдодальности уменьшает систематическую ошибку порядка 710 метров в определении вектора положения наземного наблюдателя.

Для построения статистических моделей аппаратных ошибок измерения псевдодальности из невязок i D исключены: эфемеридная ошибка, ионосферная и тропосферная (для наземных приемников) ошибки. В таблице 2 представлены основные источники ошибок измерений псевдодальности и их величины.

Таблица 2. Среднеквадратичные значения ошибок измерений псевдодальности [м] Тип приемника Эфемеридная Ионосферная Тропосферная Аппаратная ошибка ошибка ошибка ошибка Ashtech Z-XII3 1.06 4.82 2.97 1.Trimble 4000SSE 0.98 2.99 3.95 5.AOA SNR-12 ACT 1.55 2.62 4.18 2.Приемник РНИИ КП 1.20 5.- Приемник КА Champ 1.01 5.2 3.Полученные невязки интерпретировались как аппаратные ошибки di измерения псевдодальности. Для описания статистической модели ошибок измерений псевдодальности взято семейство распределений с плотностью вида:

f (x, a1,1, a2,, k) = k f (x, a1,1) + (1- k) f (x, a2, ), (8) 2 N N 1 (x - a)где f (x, a, ) = exp(- ) - плотность нормального распределения.

N Поиск неизвестных параметров {x, a1,1, a2,, k} распределения (8) проводился методом наименьших квадратов. Проверка гипотезы о законе распределения проводилась с использованием критерия согласия хи-квадрат.

Найденные плотности распределения для каждого приемника представлены в таблице 3.

Таблица 3. Параметры плотности распределения ошибок измерений псевдодальности Тип приемника k a1 a2 Ashtech Z-XII3 0.335 -1.275 0.668 0.762 0.Trimble 4000SSE 0.287 -5.836 0.392 33.226 2.AOA SNR-12 ACT 0.869 0.247 -4.437 1.331 5.Приемник РНИИ КП 1.000 0.004 5. Приемник КА Champ 0.673 0.014 0.000 1.005 20.На рис.2 показаны плотности распределения ошибок измерения псевдодальности на C/A коде системы GPS разных типов приемников: а) - приемника РНИИ КП; б) - Ashtech Z-XII3; в) - приемника КА Champ.

Рис. 2. Плотности распределения ошибок измерений псевдодальности Результаты исследований, представленные во второй главе:

- построена модель случайных процессов в форме авторегрессии, описывающая поведение служебных параметров во времени. Разработаны методы определения параметров этих моделей;

- построена статистическая модель ошибок измерений на основе анализа источников ошибок.

Третья глава посвящена построению комплекса моделирования получения измерений на борту КА и моделированию ионосферной составляющей ошибки измерений.

Для проведения численных экспериментов создана система моделирования измерительной информации для КА различных орбит с учетом диаграммы направленности антенн. Схема моделирования работы системы показана на рис. 3.

Рис. 3. Общая схема моделирования Исходными данными для моделирования являются: заданные начальные условия и соответствующая априорная ковариационная матрица; банк данных эфемерид НКА; банк данных служебных параметров; банк данных параметров ионосферы; параметры, определяющие шумовые и систематические составляющие ошибок.

Банк данных эфемерид навигационных КА может содержать как накопленные реальные данные, так и результаты моделирования работы навигационной системы.

Банк данных служебных параметров содержит временные ряды служебных параметров, полученные в результате исследований измерений наземного приемника такой же модели, как и бортового приемника.

Банк данных параметров ионосферы содержит параметры ионосферы, восстановленные по измерениям наземной сети GPS-станций.

Основными блоками схемы моделирования являются: блок моделирования сигналов навигационных спутников и модель системы. Функциональная схема показана на рис 4.

Система передает в блок моделирования целеуказания. Блок моделирования сигналов навигационных спутников обеспечивает имитацию выхода приемника с учетом целеуказаний, поступающих от модели системы.

Рис. 4. Функциональная структура моделирования сигналов навигационных КА Моделирование начинается с задания исходных (номинальных) данных о движении КА в виде номинального вектора состояния и соответствующей ему ковариационной матрицы. По заданному номинальному вектору состояния формируются фактические начальные условия (НУ), которые могут отличаться от номинальных. Сформированные НУ используются при моделировании измерений, а также при расчете векторов состояния, используемых для сравнения с оценками, получаемыми системой. Оценки векторов состояния, получаемые системой, сравнивались с векторами состояния на соответствующие моменты времени, получаемыми эталонным расчетом. Таким образом получены статистические характеристики ошибок.

Моделирование ионосферной составляющей ошибки измерений на борту КА проведено на основе построенной в работе реконструкции состояния ионосферы. Задачей реконструкции является получение оценки полной электронной концентрации TEC (Total Electron Content) над каждой точкой поверхности Земли. В работе предложен алгоритм оценки TEC над каждой точкой земной поверхности по данным наземной сети GPSприемников. Приведены результаты исследований влияния ионосферы на распространение сигнала по трассе навигационный КА – КА, основанные на построенной реконструкции.

Предложен алгоритм расчета ионосферной задержки. Рассмотрены результаты сравнения предложенной модели ионосферной задержки с реальными измерениями по данным КА Champ на суточном интервале.

Для каждой точки (,) Земли на момент времени t полная электронная концентрация (TEC) записывается в виде :

2 зен TEC(t,,) = f (t,,), (9) f 40.зен где f - частота радиосигнала [Гц], (t,,) - ионосферная задержка радиосигнала f на частоте f через весь ионосферный слой Земли по направлению в зенит [м], 40.3 размерный коэффициент [Гц], соответствующий критической частоте.

Пусть - угол пересечения сигналом слоя ионосферы, тогда зенитную ионосферную задержку можно представить в следующем виде:

зен (t,,) = (t,,) cos. (10) f f Существующая наземная сеть станций, принимающая сигналы от спутниковой навигационной системы GPS, состоит из 600 станций, расположенных в различных точках Земного шара. Результаты измерений псевдодальностей на двух частотах L1 и L2 доступны в сети Internet с дискретностью 30 секунд.

Подставляя вычисленное значение задержки сигнала на частоте fL1 (6),(10) в (9) и осредняя значение зенитной задержки сигнала в ионосфере по количеству видимых навигационных КА (n), получим соотношение для полной электронной концентрации с использованием двухчастотных измерений псевдодальности системы GPS:

Pages:     | 1 || 3 | 4 |






© 2011 www.dissers.ru - «Бесплатная электронная библиотека»