Анализ и синтез алгоритма обработки информации в интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системе наземного автотранспорта тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.13.01, кандидат технических наук Морозов, Александр Сергеевич

• Морозов, Александр Сергеевич
• кандидат технических наук
• 2009

Оглавление диссертации кандидат технических наук Морозов, Александр Сергеевич

Список сокращений

Введение

1. Анализ состояния и перспектив применения спутниковых радионавигационных систем для навигационно-временного обеспечения автотранспорта

1.1. Состояние орбитальной группировки ГЛОНАСС

1.2. Требования к навигационному обеспечению наземных объек- 26 тов

1.3. Современные системы навигационного обеспечения автотранспорта

1.4. Анализ использования приемников спутниковой навигации в городских условиях

1.5. Анализ способов комплексирования приемников спутниковой навигации и инерциальных микроэлектромеханических датчиков

1.5.1. Разомкнутая схема комплексирования

1.5.2. Слабосвязанная схема комплексирования

1.5.3. Тесносвязанная схема комплексирования ПСН и ИНС

1.5.4. Глубокая интеграция ПСН и ИНС

1.6. Выбор и обоснование схемы комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков

Выводы по 1 главе

2. Повышение помехоустойчивости алгоритмов навигационно-временных определений в автономных приемниках спутниковой навигации 54 2.1. Алгоритм поиска и обнаружения сигнала

2.2. Автономные алгоритмы навигационно-временных определений в приемниках спутниковой навигации

2.3. Синтез автономного двухэтапного алгоритма

2.3.1. Этап первичной обработки

2.3.2. Этап вторичной обработки

2.4. Одноэтапный алгоритм

2.5. Исследование характеристик автономных алгоритмов

2.5.1. Исследование характеристик помехоустойчивости алгоритмов

2.5.2. Исследование характеристик точности и непрерывности навигационно-временных определений

Выводы по 2 главе

3. Синтез алгоритма слабосвязанного комплексирования приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков МЭМС

3.1. Постановка задачи синтеза комплексного алгоритма

3.2. Модель динамики параметров вектора состояния

3.3. Алгоритм слабосвязанного комплексирования

3.4. Исследование характеристик синтезированного алгоритма

3.4.1. Исследование характеристик непрерывности навигаци- 102 онно-временных определений

3.4.2. Исследование характеристик точности навигационно- 103 временных определений

3.4.3. Исследование характеристик точности определения про- 105 странственной ориентации

3.4.4. Исследование возможности использования в алгоритме инерциальных датчиков интегрирующего типа и управление темпом обработки потоков информации

Выводы по 3 главе

4. Имитационное моделирование алгоритма слабосвязанного комплек-сирования приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков

4.1. Экспериментальные исследования

4.1.1. Приемник спутниковой навигации

4.1.2. Блок интегральных микроэлектромеханических датчи- 123 ков

4.2. Моделирующий стенд

4.2.1. Модель движения навигационных спутников

4.2.2. Модель динамики объекта

4.2.3. Модель определения радиовидимости навигационных спутников

4.2.4. Модель инерциальной навигационной системы 136 Выводы по 4 главе 139 Заключение 140 Список используемых источников

СПИСОК СОКРАЩЕНИЙ

АПВ - апостериорная плотность вероятности

АП - аппаратура потребителя

БГШ - белый гауссовский шум

ВЧ - высокая частота

ГЛОНАСС - глобальная навигационная спутниковая система

ИНС - инерциальная навигационная система

ИМО - Международная морская организация

ИКАО - Международная организация гражданской авиации

ККС - контрольно-корректирующая станция

МО - математическое ожидание

МЭМС - микроэлектромеханические сенсоры

МКАД - Московская кольцевая автомобильная дорога

НАП - навигационная аппаратура потребителя

НВО - навигационно-временное определение

НИСЗ - навигационный искусственный спутник Земли нп - навигационный параметр

НС - навигационный спутник пз - параметры Земли пв - плотность вероятности

ПУ - пороговое устройство пен - приемник спутниковой навигации

РНП - радионавигационный параметр

СП - спектральная плотность.

СРНС - спутниковая радионавигационная система

СКО - среднеквадратическая ошибка

ССЗО - схема слежения за псевдозадержкой огибающей

ФАП - фазовая автоподстройка

ШВ - шкала времени

ABS - Anti-lock Brake System (антиблокировочная система тормозов)

AVL - Automatic Vehicle Location

ECEF - Earth Centered Earth Fixed

ENU - East North Up

ECI - Earth Centered, Inertial

ESP - Electronic Stability Programme (система курсовой устойчивости)

GPS - Global Positioning System (глобальная система позиционирования) iMEMS - integrated Micro Electro Mechanical System (интегральные микроэлектромеханические системы)

RPY - Roll Pitch Yaw

WGS - World Geodetic System

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Анализ и синтез алгоритма обработки информации в интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системе наземного автотранспорта»

Актуальность темы. В настоящее время технологии спутниковой навигации нашли самое широкое применение практически во всех областях деятельности человека. При этом наиболее актуально внедрение спутниковой навигации в те области деятельности, связанные с перемещением объектов, которые традиционно требуют высокоточного навигационно-временного обеспечения. Одним из перспективных направлений использования спутниковой навигации является автомобильный транспорт, переживающий уже несколько десятилетий невиданный подъем в сфере массовых перевозок грузов и пассажиров, что требует специальных технических систем слежения и управления отдельными транспортными средствами и потоками средств.

С внедрением в эксплуатацию в 90-х годах прошлого столетия средне-орбитальных спутниковых радионавигационных систем появилось высокоточное средство определения навигационно-временных параметров [2.11, 2.19]. Проведенный анализ показывает, что только спутниковые радионавигационные системы второго поколения способны обеспечить беспрецедентно высокоточное навигационно-временное определение объектов в любой точке мира. В настоящее время полностью развернуты и функционируют две среднеорбиталь-ных системы спутниковой навигации - Глобальная навигационная спутниковая система (ГЛОНАСС), принадлежащая Министерству обороны РФ и Global Positioning System (GPS), принадлежащая Министерству обороны США [6.6, 6.9]. Обе системы имеют открытые каналы для гражданских потребителей. В РФ в соответствии с Указом Президента [1.2] доступ к гражданским навигационным сигналам глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС предоставляется российским и иностранным потребителям на безвозмездной основе и без ограничений. Отметим что, с мая 2000 года США отказались от применения режима селективного доступа (преднамеренного загрубения сигнала для гражданских пользователей), а с сентября 2007 года прекратили закупать спутники, на которых аппаратно предоставлялась возможность использования режима селективного доступа.

Успешная эксплуатация СРНС второго поколения, новые геополитические и экономические интересы толкают крупные страны к созданию собственных спутниковых радионавигационных систем. Так, например, большой интерес к спутниковой навигации помимо Евросоюза проявляют крупнейшие азиатские страны: Китай, Индия и Япония. Система Бэйдоу и развёртываемая в настоящее время Китаем подсистема GNSS, предназначенная для использования только в этой стране. Особенностью этой системы является небольшое количество спутников, находящихся на геостационарной орбите. Необходимо отметить, что основные технические характеристики Китайская сторона заимствовала у Европейской системы Galileo. Система Galileo - Европейская навигационная система, находящаяся на этапе развертывания спутниковой орбитальной группировки. Согласно планам космического агентства Евросоюза спутниковая навигационная система заработает в 2010 году.

В середине 90-х годов в России из-за финансовых проблем государства практически перестали уделять внимание поддержке орбитальной группировки ГЛОНАСС. Подъем экономики Российской Федерации оказал благотворное влияние и на космическую отрасль страны. В последнее время Президентом Российской Федерации и Правительством страны уделяется повышенное внимание развитию спутниковой навигации. Военно-промышленная комиссия при Правительстве практически постоянно рассматривает проблемные вопросы навигационного обеспечения отраслей экономики, обороны и безопасности страны. В 2001 году в России принята Федеральная целевая программа ГЛОНАСС, рассчитанная до 2011 года [1.1].

В настоящее время в высокоточном навигационно-временном обеспечении с использованием космических навигационных технологий нуждаются:

1. Диспетчерские системы управления грузовыми транспортными перевозками (цель внедрения: повышение безопасности, увеличение пропускной способности).

2. Городской общественный транспорт. В РФ на сегодняшний день внедрена комплексная автоматизированная навигационная система диспетчерского управления транспортом в следующих городах: Москва, Нижний Новгород, Казань, Тула, Кемерово, Новосибирск, Брянск (цель внедрения: оптимизация и управление пассажиропотоками).

3. Служба «Скорой медицинской помощи», дежурный транспорт предприятий по обслуживанию водопроводных, тепловых, энергетических сетей, специальные машины МВД и МЧС, охранные комплексы с использованием спутниковых навигационных технологий (цель внедрения: оперативное управление, реагирование на чрезвычайные происшествия).

Значимость решения этих задач существенно возрастает, если учесть, что протяженность автомобильных дорог в России составляет около 900 тыс. км [6.4]. Практически аналогичные задачи стоят и перед речным и железнодорожным транспортом. Естественно, что для решения стоящих проблем по навигационному обеспечению автомобильного транспорта необходим комплексный подход. В настоящее время департаментом автомобильного транспорта Министерства транспорта России осуществляется работа по реализации единой технической политики в области информатики, связи и навигации на наземном транспортном комплексе, обеспечивающей единство технологических решений систем управления наземным транспортом, унификацию и стыковку применяемого на наземном транспорте радионавигационного и связного оборудования. Разработчики обязуются учесть тенденции развития, осуществлять координацию процессов создания интеллектуальных транспортных систем различных уровней, в которых оптимальным образом объединяется деятельность всех участников транспортных процессов [6.3].

Необходимо отметить, что эффективность управления в значительной степени зависит от навигационного обеспечения автомобильного транспорта. Несмотря на широкое использование технологии спутниковой навигации на автотранспорте, в настоящее время в системах диспетчерского управления приемники спутниковой навигации рассматриваются как важный, но не достаточный элемент в системе управления наземным автотранспортом. Это связано с рядом недостатков присущих современным спутниковым радиотехническим навигационным системам. Применительно к использованию спутниковых навигационных технологий на наземном автотранспорте, в сложных географических условиях не обеспечивается высокая точность и непрерывность навигаци-онно-временных определений. В [3.9] приведены результаты экспериментов по работе аппаратуры спутниковой навигации в горных условиях. Проведенные исследования показали, что во время движения автомобиля количество наблюдаемых спутников на некоторых участках было менее необходимых 4-х спутников, при среднем времени пропадания спутников 20 секунд. Аналогичная ситуация возникает и в условиях плотной городской застройки, в тоннелях и путепроводах, где невозможно с нужным качеством получить навигационные решения только по сигналам спутниковых навигационных систем [3.15, 3.16, 3.19]. Помимо этого, применительно к автотранспорту, эксплуатируемому в условиях плотной городской застройки, затенение навигационных спутников приводит к работе с заведомо неблагоприятной конфигурацией орбитальной группировки, и как следствие значительно возрастают ошибки определения навигационных параметров [2.19]. В условиях лесистой местности также возникает ряд трудностей, связанных с приемом сигналов СРНС [4.3]. Отметим, что подобных работ по исследованию условий приема сигналов СРНС в лесистой местности в России практически нет.

Таким образом, в сложных географических условиях при использовании только сигналов спутниковых навигационных систем не обеспечивается высокая точность и непрерывность навигационно-временных определений. Проведенный анализ большого количества исследований показывает, что эффективным способом обеспечения высокой точности и непрерывности навигационно-временных определений является совместная обработка спутниковых измерений и инерциальных датчиков [2.1, 2.11, 2.19, 2.22, 2.23, 3.9, 3.19, 3.31, 4.1, 4.2]. При этом для автомобильного автотранспорта наиболее перспективными для комплексирования инерциальными сенсорами являются микроэлектромеханические сенсоры (МЭМС) [2.21, 2.22, 3.14, 4.2, 6.8].

Датчики МЭМС обладают совокупностью уникальных достоинств, основными из которых являются [6.8]:

- малые массогабаритные характеристики (объем достигает менее 1 см3 при весе менее 1 грамма);

- низкое энергопотребление;

- низкая цена на датчики МЭМС;

- высокая надежность;

- высокая устойчивость к перегрузкам (до 2000 g) и ударам.

На сегодняшний день разработанные гироскопические датчики МЭМС обладают скоростью ухода примерно 10°/час [6.8]. Построение автономных инерциальных систем на основе МЭМС практически не возможно, так как ошибки определения координат могут достигать сотен километров за час автономной работы. Однако датчики МЭМС способны осуществлять автономную поддержку спутниковой навигации на непродолжительных интервалах времени пропадания сигналов, возникающих например, из-за затенений высотными строениями, при проезде туннелей и т.п. [3.17]. Построение интегрированной инерциально-спутниковой навигационной аппаратуры для автомобильного транспорта на основе использования МЭМС позволит обеспечить высокую точность и непрерывность навигационных определений [3.19, 6.7]. Поэтому исследования в области создания интегрированной инерциально-спутниковой системы для автомобильного транспорта непременно является актуальной научной задачей, которой и посвящена диссертационная работа.

Состояние вопроса исследований. Несмотря на интенсивные исследования в области создания недорогих инерциально-спутниковых навигационных систем, в настоящее время в Российской Федерации практически нет образцов интегрированной аппаратуры. Существующие изделия обеспечивают высокие точности навигационно-временных определений в комплексном режиме работы, т.е. когда функционирует приемник спутниковой навигации. В автономном режиме бесплатформенная навигационная система, сформированная на основе МЭМС, не обеспечивает требуемой точности и непрерывности навигационных решений.

Целью исследования является решение научной задачи анализа и синтеза алгоритма обработки информации в интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системе наземного автотранспорта для повышения точности и обеспечения непрерывности навигационно-временного определения.

В рамках диссертационной работы для решения проблемы высокоточного, непрерывного навигационно-временного обеспечения наземного автотранспорта необходимо решение следующих научных задач:

1. Проведение анализа причин понижения точности и непрерывности навигационно-временных определений наземного автотранспорта в условиях городской застройки.

2. Осуществление системного анализа возможности по определению способов повышения точности и непрерывности навигационно-временных определений на наземном автотранспорте в условиях кратковременного пропадания спутниковых навигационных сигналов.

3. Проведение синтеза алгоритмов обработки информации, на основе теории оптимальной нелинейной фильтрации в перспективных навигационных комплексах наземного автотранспорта для использования в городских условиях.

4. Проведение имитационного моделирования и экспериментальных исследований синтезированного оптимального алгоритма с целью проверки адекватности работы, разработанной математической модели интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы в условиях мегаполиса.

Объектом исследований являются автономные алгоритмы функционирования приемников спутниковой навигации и алгоритмы комплексирования приемника спутниковой навигации и инерциальных микроэлектромеханических датчиков.

Предметом исследования являются характеристики точности и непрерывности навигационно-временных определений в интегрированных инерци-ально-спутниковых навигационных системах.

При решении поставленной задачи использовались следующие методы исследования: системный анализ, теория оптимальной нелинейной фильтрации, теория имитационного моделирования, теория прикладного и системного программирования.

Достоверность результатов исследований обеспечивается корректным использованием математического аппарата статистического синтеза и анализа радиотехнических систем и корректным использованием имитационного моделирования.

На защиту выносятся теоретические и прикладные способы повышения точности и обеспечения непрерывности навигационно-временных определений в условиях городской застройки:

1. Математическая модель описания интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы.

2. Разработанный на основе марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации слабосвязанный алгоритм комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков (инерциальных датчиков интегрирующего типа).

3. Разработанная программно-математическая среда для проведения имитационных и экспериментальных исследований синтезированного алгоритма.

4. Результаты имитационных и экспериментальных исследований алгоритма слабосвязанного комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков.

Научная новизна работы заключается в том, что в ней:

1. Разработан на основе марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации слабосвязанный алгоритм комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков (инерциальных датчиков интегрирующего типа).

2. Проведен анализ зависимости точности навигационных определений от темпа поступления информации угловой скорости с микроэлектромеханических гироскопов (гироскопов интегрирующего типа) в условиях работы интегрированной системы в городских условиях.

3. Проведен анализ интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы путем имитационного моделирования и экспериментальных исследований в условиях мегаполиса.

Практическая ценность результатов исследований, полученных в диссертации, заключается в том, что они могут быть использованы при разработке высокоточной навигационной аппаратуры наземного автотранспорта. Предложено использование микроэлектромеханических инерциальных датчиков систем активной и пассивной безопасности автомобилей в качестве инер-циальной поддержки интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы автомобиля.

Новые научные результаты, полученные в диссертации, заключаются в следующем.

Методами марковской теории оптимальной нелинейной фильтрации синтезирован слабосвязанный алгоритм комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков (инерциальных датчиков интегрирующего типа). Получена зависимость точности навигационных определений от темпа поступления информации об угловой скорости с микроэлектромеханических гироскопов (гироскопов интегрирующего типа). Показано, что для комплексного режима работы темп поступления может составлять 50-100 мс, в то время как для автономной системы (без приемника спутниковой навигации) оно должно быть 3-5 мс.

Проведены исследования синтезированного алгоритма в режиме постобработки с использованием данных, полученных по реальным измерениям приемника спутниковой навигации Lexon GGD и блока микроэлектромеханических датчиков ADIS16350.

Предложено использование микроэлектромеханических инерциальных датчиков систем активной и пассивной безопасности современных автомобилей в качестве инерциальной поддержки интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы автомобиля.

Внедрение результатов исследования.

ЗАО «Национальное радиотехническое бюро» (ЗАО «НРТБ») и ЗАО «Национальный институт радио и инфокоммуникационных технологий» (ЗАО «НИРИТ»).

Апробация результатов работы. Основные научные результаты были представлены на следующих конференциях.

1. Всероссийская научно-техническая конференция «8-е научные чтения по авиации, посвященные памяти Н.Е. Жуковского». Москва, ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2007.

2. Международная молодежная научная конференция «XXXIII Гагарин-ские чтения», Москва, РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007.

3. XIX научно-техническая конференция аспирантов и молодых специалистов, г. Жуковский, ОАО «НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова, 2007.

4. Межвузовская научно-техническая конференция курсантов и молодых ученых (посвященная 90-летнему юбилею ВУЗа и 150-летию со дня рождения А.С. Попова) - Тамбов: ТВВИУ (ВИ), 2008.

5. Научно-техническая конференция «Тенденция и гармонизация развития радионавигационного обеспечения». Москва, ФГУП «Интернавигация», МАДИ, 2008.

Опубликование результатов исследования.

1. Морозов А.С. Сравнительный анализ характеристик точности и помехоустойчивости одноэтапного и двухэтапного алгоритмов приема сигналов спутниковой радионавигационной системы / Морозов А.С., Оганесян А.А., Хо-ванец С.Я.// Радиоэлектронное оборудование : сборник научно-методических материалов / ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. - М.: 2007. - С. 49-51.

2. Морозов А.С. Моделирование созвездия СРНС ГЛОНАСС и GPS в сложных географических условиях / Морозов А.С., Оганесян А.А., Хованец С.Я.// Материалы конференции: тезисы докладов Всероссийская научно-техническая конференция (г. Москва, 21-23 март 2007) - М.: ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского, 2007. - С. 116.

3. Морозов А.С. Анализ существующих и перспективных инерциально-спутниковых навигационных систем. Методы комплексирования приемников спутниковой навигации и инерциально-навигационных систем / Морозов А.С., Оганесян А.А., Хованец С.Я. // Материалы Международной молодежной научной конференции -М.: РГТУ им. К.Э. Циолковского, 2007.

4. Морозов А.С. Исследование характеристик точности определения пространственной ориентации по сигналам спутниковых радионавигационных систем и бортовых инерциальных датчиков / Морозов А.С., Оганесян А.А.// Материалы XIX научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых - Жуковский: ОАО «НИИ приборостроения им. В,В. Тихомирова, 2007.

5. Морозов А.С. Моделирующий стенд для исследования характеристик комплексных алгоритмов обработки информации в инерциально-спутниковых навигационных системах / Епишин К.В., Морозов А.С., Оганесян А.А.// Материалы XIX научно-технической конференции аспирантов и молодых ученых -Жуковский: ОАО «НИИ приборостроения им. В.В. Тихомирова, 2007.

6. Морозов А.С. Исследование особенностей функционирования приемников спутниковой навигации в условиях городской застройки / Аксенов С.Ю., Морозов А.С., Оганесян А.А.// журнал «Электросвязь» №9. - М.: 2008.

7. Морозов А.С. Исследование слабосвязанного алгоритма комплексирования приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков МЭМС / Морозов А.С., Оганесян А.А.// Радиоэлектронное оборудование : сборник научно-методических материалов / ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского. - М.: 2008.

8. Морозов А.С. Моделирование интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы в математической среде MATLAB / Морозов А.С., Оганесян А.А.// Межвузовская научно-техническая конференция курсантов и молодых ученых (посвященная 90-летнему юбилею ВУЗа и 150-летию со дня рождения А.С. Попова) / Тамбовское высшее военное авиационное инженерное училище радиоэлектроники (военный институт) - Тамбов: 2008.

9. Морозов А.С. Навигационное обеспечение БПЛА. Состояние и перспективы / Морозов А.С., Оганесян А.А.// Доклад на II Всероссийской конференции «Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Направления и перспективы развития» в ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (Москва 20-21 ноября 2008 г.). - М.

10. Морозов А.С. Использование микроэлектромеханических датчиков в комплексных инерциально-спутниковых навигационных системах беспилотных летательных аппаратов / Баталюк Д.А., Морозов А.С., Оганесян А.А// Доклад на II Всероссийской конференции «Комплексы с беспилотными летательными аппаратами России. Направления и перспективы развития» в ВВИА им. проф. Н.Е. Жуковского (Москва 20-21 ноября 2008 г.). - М.

11. Морозов А.С. Методы комплексирования приемника спутниковой навигации и инерциальной навигационной системы. Результаты экспериментальных исследований слабосвязанного алгоритма комплексирования в городских условиях / Аксенов А.Ю., Аникин A.JL, Морозов А.С., Оганесян А.А. // Журнал «Новости навигации» № 4. - М.: 2008 (в печати).

12. Морозов А.С. Исследование алгоритмов комплексирования ИНС и спутникового приемника / Аксенов А.Ю., Аникин A.JL, Морозов А.С., Оганесян А.А. // Научно - техническая конференция Межгосударственного Совета «Радионавигация», ФГУП НТЦ «Интернавигация», Российского общественного института навигации «Тенденции и гармонизация развития радионавигационного обеспечения». - М.: МАДИ, 2008.

13. Морозов А.С. Обоснование способа построения интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системы для маломаневренных объектов / Баталкж Д.А., Морозов А.С., Оганесян А.А.// Радиоэлектронное оборудование: сборник научно-методических материалов / ВВА им. проф. Н.Е. Жуковского и Ю.А. Гагарина. - М.: 2009.

Краткое содержание глав диссертации. Структурно диссертационная работа состоит из введения, четырех глав и заключения.

Заключение диссертации по теме «Системный анализ, управление и обработка информации (по отраслям)», Морозов, Александр Сергеевич

Выводы по 4 главе

Исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, сопровождались проведением натурных экспериментов. При проведении экспериментов использовался высокоточный приемник спутниковой навигации Lexon GGD и блок микроэлектромеханических датчиков ADIS16350. Исследования алгоритма осуществлялись в постобработке, что позволяло всесторонне исследовать влияние различных параметров на характеристики точности и непрерывности синтезированного алгоритма комплексирования. В качестве наблюдений от приемника спутниковой системы в синтезированном алгоритме комплексирования использовались навигационные решения (координаты и скорость с темпом от 1 до 10Гц). Наблюдения от блока микроэлектромеханических датчиков ADIS16350 представляет собой вектор ускорений и угловых скоростей в осях связанной с блоком системы координат с темпом до 1000 Гц. Проведенные экспериментальные исследования позволили выявить зависимость измеряемых параметров конкретного используемого блока ADIS 16350 от температуры и в дальнейшем скомпенсировать соответствующие смещения.

Для всестороннего исследования разных алгоритмов слабосвязанного комплексирования в ходе выполнения диссертационной работы разработан моделирующий стенд. При формировании наблюдений от приемника спутниковой навигации учитывалась радиовидимость навигационных спутников. Применение модели определения радиовидимости навигационных спутников, с учетом диаграммы направленности антенны и ориентации объекта, позволяет исследовать алгоритмы на непрерывность навигационных определений. Это особенно важно при движении автотранспорта в сложных географических условиях (например, горная местность, высотная городская застройка). Кроме этого разработанный моделирующий стенд позволяет: в качестве динамического воздействия использовалась реальная траектория автомобиля, полученная в ходе эксперимента; использовать инерциальные датчики с различными характеристиками стабильностей и уходов.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

Навигационно-временное обеспечение является неотъемлемой частью технического обеспечения наземного автотранспорта. Движение автотранспорта можно представить как динамический процесс, направленный на решение экономических и социальных проблем. Для эффективного управления автотранспортом создаются локальные диспетчерские системы управления, например системы типа AVL. Принципиально, что эффективность управления в значительной степени зависит от точности навигационного и временного обеспечения. В настоящее время для решения навигационных задач наибольшее применение получили приемники спутниковой навигации системы GPS (США). Однако усилия Российской Федерации направленные на восстановление отечественной орбитальной группировки ГЛОНАСС позволили к концу 2008 года обеспечить работоспособность системы в целом и гарантировать в течение 24-х часов непрерывного навигационного обеспечения на всей территории России. Применение приемников ГЛОНАСС/GPS, в качестве основного навигационного средства наземного автотранспорта, позволит использовать большое количество навигационных спутников, что пропорционально улучшит качество навигационно-временных определений. По экспертным оценкам экономическая эффективность от использования спутниковых навигационных технологий может составить до 25 процентов. В свою очередь в развитых государствах мира (США, Япония) на спутниковую навигационную систему возлагается ключевая роль при создании интеллектуальных транспортных систем, которые позволят эффективно использовать существующую дорожно-уличную сеть, повысить безопасность движения, значительно сократить затраты на строительство и реконструкцию дорог.

Несмотря на преимущества современных спутниковых технологий, существуют и недостатки. Так, например, анализ большого числа исследований и проведенных экспериментов показали, что в городских условиях невозможно обеспечить высокую точность и непрерывность навигационно-временного обеспечения. Проведенный системный анализ способов повышения качества навигационных решений показал, что для обеспечения высокой точности и непрерывности навигационных определений наиболее перспективным способом является комплексирование приемника спутниковой навигации и автономных датчиков. При этом в качестве автономных датчиков предложено использование микроэлектромеханических датчиков, которые нашли широкое применение в системах активной и пассивной безопасности современных автомобилей. Создание интегрированной инерциально-спутниковой системы на основе объединения датчиков различной физической природы позволит создать систему, обладающую более высокими характеристиками точности, помехоустойчивости и непрерывности навигационных решений по сравнению с отдельными измерителями. Достоинствами использования микроэлектромеханических датчиков являются высокие эксплуатационные характеристики, низкая стоимость. Однако высокие ошибки датчиков не позволяют использовать их в качестве автономных навигационных систем, помимо этого, микроэлектромеханические датчики являются датчиками интегрирующего типа и, следовательно, требуют использования сложных алгоритмов обработки сигналов.

Проведенный анализ способов комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков показал, что наиболее рациональным является использование слабосвязанной схемы комплексирования на уровне выходных сигналов инерциальных датчиков и навигационных решений приемника. Достоинством данного решения является обеспечение непрерывности и высокой точности навигационно-временных решений, простота технической реализации. Основным недостатком является низкая помехоустойчивость комплексной системы, которая определяется помехоустойчивостью автономного приемника спутниковой навигации.

Как показал проведенный анализ, повышение помехоустойчивости приемников спутниковой навигации можно осуществить за счет оптимизации алгоритмов обработки. Решение задачи оптимальной фильтрации, применительно к спутниковому сигналу, привод к одноэтапным алгоритмам. Однако, на сегодняшний день реализация подобных решений технически сложно. Поэтому на практике используют двухэтапные алгоритмы. Сравнительный анализ одно-этапного и двухэтапного алгоритмов показал, что выигрыш в помехоустойчивости у одноэтапного алгоритма зависит от количества наблюдаемых спутниковых каналов, и при их количестве 28-31 составляет 11 дБ. Рассмотрение большого числа видимых навигационных спутников оправдано тем, что при полном развертывании орбитальных группировок отечественной ГЛОНАСС, европейской Galileo, американской GPS, на входе приемника будет до 100 навигационных сигналов (с учетом каналов LI, L2, L3, L5). Проведенный анализ показал, что возникающая при этом задача поиска и обнаружения большого числа спутниковых сигналов требует использования параллельных методов -основанных на преобразовании Фурье и/или использовании большого количества корреляторов.

Современные приемники обладают помехоустойчивостью J IS-30 дБ. Как показали расчеты, при воздействии источника помех с мощностью 1Вт приемник спутниковой навигации с J IS = 30 дБ не обеспечивать выполнение основных функций в радиусе 70 км от источника помех. Внедрение одноэтапных алгоритмов обработки информации в приемниках спутниковой навигации позволит уменьшить радиус подавления до 15 км, т.е. в более чем в 4 раза.

Применение одноэтапных алгоритмов позволит использовать в слабосвязанном алгоритме комплексирования помехоустойчивые приемники спутниковой навигации. Учитывая это, методами теории оптимальной нелинейной фильтрации синтезирован слабосвязанный алгоритм комплексирования приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков. При этом модель ошибок инерциальных датчиков включает следующий набор параметров: систематический дрейф нулей гироскопов, шумы наблюдений гироскопов и акселерометров. Исследование характеристик осуществлялось методами имитационного моделирования и постобработки экспериментальных данных. Сравнительный анализ характеристик точности навигационно-временных определений показал, что характеристики точности в комплексном алгоритме значительно лучше характеристик автономных алгоритмов. Так точность определения в комплексном алгоритме лучше: по ускорению в 7-10 раз, по скорости до 5 раз. При числе навигационных спутников меньше минимально необходимого количества, синтезированный алгоритм функционирует аналогично автономной бесплатформенной инерциальной системе, построенной на базе инерциальных датчиков, тем самым, обеспечивая непрерывность навигационно-временных параметров. Кроме того, синтезированный алгоритм слабосвязанного комплексирования приемника спутниковой навигации и микроэлектромеханических датчиков позволяет получить точность определения параметров пространственной ориентации (углов Эйлера) 1-3 градусов (Зсг). Включение в вектор состояния параметров, характеризующих систематические уходы нулей гироскопов, позволяет с точностью до 90% скомпенсировать соответствующие уходы, и тем самым повысить точность навигационно-временных определений в автономном режиме, при временной неработоспособности приемника спутниковой навигации.

Проведенные исследования показали возможность использования в комплексном алгоритме инерциальных датчиков интегрирующего типа, формирующих наблюдения в виде накопленного угла. При этом комплексный алгоритм интеграции приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков, с включением в вектор состояния параметров ориентации, позволяет с высокой точностью определить ориентацию автомобиля вплоть до значений времени усреднения -100 мс, то в режиме автономной работы бесплатформенной инерциальной системы без использования специальных алгоритмов определить ориентацию практически невозможно уже при времени усреднения - 5 мс.

Гироскопы интегрирующего типа требуют применения специальных алгоритмов обработки, суть которых сводится к формированию эквивалентных наблюдений. Как показали проведенные исследования, комплексный режим обработки позволяет непосредственно использовать наблюдения гироскопов.

Причем, в комплексном режиме темп поступления данных от гироскопов можно уменьшить до 50-100 Гц, что позволяет направить основные вычислительные ресурсы на реализацию комплексного алгоритма. В автономном режиме работы, когда неработоспособен приемник спутниковой навигации, для реализации алгоритма достаточно увеличить темп поступления данных до 5001000 Гц, с использованием освободившегося вычислительного ресурса комплексного режима. Таким образом, в интегрированной инерциально-спутниковой навигационной системе в зависимости от работоспособности приемника спутниковой навигации необходимо принимать решения об использовании различного темпа поступления информации от гироскопических датчиков.

Исследования, проводимые в рамках диссертационной работы, сопровождались проведением натурных экспериментов. При проведении экспериментов использовался высокоточный приемник спутниковой навигации и блок микроэлектромеханических датчиков. В ходе экспериментальных исследований была решена задача синхронизации данных поступающих от микроэлектромеханических датчиков и приемника спутниковой навигации. Исследования алгоритма осуществлялись в постобработке. Анализ данных в постобработке позволил всесторонне исследовать влияние различных параметров на характеристики точности и непрерывности синтезированного алгоритма комплексирования.

В ходе выполнения диссертационной работы разработан моделирующий стенд, позволяющий исследовать слабосвязанные алгоритмы комплексирования. В качестве наблюдений от приемника спутниковой системы в синтезированном алгоритме комплексирования использовались навигационные решения (координаты, скорость) с учетом радиовидимости навигационных спутников. Применение модели определения радиовидимости навигационных спутников, с учетом диаграммы направленности антенны и ориентации объекта, позволяет исследовать алгоритмы на непрерывность навигационных определений. Кроме этого разработанный моделирующий стенд позволяет: в качестве динамического воздействия использовалась реальную траекторию автомобиля, полученную в ходе эксперимента; использовать инерциальные датчики с различными характеристиками стабильностей и уходов. Как показали проведенные экспериментальные исследования, наиболее критичными к точности определения параметров угловой ориентации оказались температурные уходы микромеханических гироскопов.

Таким образом, при относительно простой технической реализации слабосвязанного комплексирования приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков, в комплексном режиме функционирования обеспечивается: непрерывность навигационных определений на всех этапах движения автомобиля, в том числе в условиях плотной городской застройки, когда наблюдается временная неработоспособность приемников спутниковой навигации; повышение точности определения навигационных параметров; высокоточное определение параметров пространственной ориентации. Применение высокоточного навигационного инструмента на наземном транспорте повысит эффективность ее использования, создаст фундамент для новых - высокотехнологичных экономических проектов.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Морозов, Александр Сергеевич, 2009 год

1. Официальные государственные материалы

2. Федеральная целевая Программа «ГЛОНАСС». Постановление Правительства Российской Федерации от 3 апреля 2003 г. № 11.

3. Указ Президента РФ 17 мая 2007 г. N 638 «Об использовании глобальной навигационной спутниковой системы ГЛОНАСС в интересах социально-экономического развития Российской Федерации» 18 мая 2007 года.

4. Постановления Правительства Российской Федерации №896 от 3 августа 1999 года «Об использовании в Российской Федерации глобальных навигационных спутниковых систем на транспорте и в геодезии».2. Книги

5. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах / О.А. Бабич. М: Машиностроение. - 1991. - 512 с.

6. Зингер Р.А. Оценка характеристик оптимального фильтра для слежения за пилотируемой целью / Р.А. Зингер. М.: Зарубежная радиоэлектроника. -1971. - № 8. - с.40-57.

7. Казиев В.М. Введение в анализ, синтез и моделирование систем / В.М. Казиев. М.: Лаборатория Базовых Знаний. - 2006. - 244 с. ISBN 5947745119.

8. Корн Г.А. Справочник по математике для научных работников / Г.А. Корн, Т.М. Корн. М.: Наука. 1970. - 832 с.

9. Корнилов Г. И. Основы теории систем и системного анализа / Г.И. Корнилов. М.: Горячая Линия - Телеком. - 2007. - 261 с. ISBN 978-593517-340-9.

10. Кульман Н.К. Нелинейная фильтрация и квазикогерентный прием сигналов / Н.К. Кульман, В.И. Тихонов. М.: Сов. Радио. 1975.

11. М.Н. Красильщиков, Г.Г. Серебряков. Управление и наведение беспилотных маневренных летательных аппаратов на основе современных информационных технологий. М. Физмат 2003 г.

12. Михальченко С.В., Шохин Р.В. Унифицированный алгоритм обработки информации в бесплатформенных инерциальных навигационных задачах. //Научно-методические материалы по авиационным комплексам. Изд-во ВАТУ, М., 1998, с.45-54г.

13. Панов А.П. Математические основы инерциальной ориентации /

14. A.П. Панов. Киев: Наукова Думка. - 1995.

15. Родионов И. Б. Теория систем и системный анализ / И.Б. Радионов

16. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шебшаевич и др.; по ред. B.C. Шебшаевича. 2-е изд. перераб. и доп. - М.: Радио и Связь, 1993. 408 с. ISBN 5-256-00174-4.

17. Соловьев Ю.А. Системы спутниковой навигации / Соловьев Ю.А. МЖ Эко-Тренд - 2000. - 268 с. - ISBN 5-88405-026-7

18. Спицнадель В. Н. Основы системного анализа / В.Н. Спицнадель. -СПб.: Бизнес-пресса. 2000. - 268 с. - ISBN 5-88405-026-7.

19. Степанов О.А. Применение теории нелинейной фильтрации в задачах обработки навигационной информации / О.А. Степанов. СПб: ГНЦ РФ -ЦНИИ "ЭЛЕКТРОПРИБОР". - 1998. - 370 с. -SBN 5-900780-15-5.

20. Тихонов В.И. Нелинейные преобразования случайных процессов /

21. B.И. Тихонов. -.: Радио и связь. -986.

22. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов / В.И. Тихонов. М.: Радио и связь. - 1983.

23. Тихонов В.И. Статистический анализ и синтез радиотехнических устройств и систем: учебное пособие для вузов / В.И. Тихонов, В.Н. Харисов. -М.: Радио и связь. 2004. 608 с. - ISBN 5-256-01701-2.

24. Тихонов В.И. Статистическая теория радиоэлектронных систем / B.C. Ефименко, А.Г. Журавлёв, В.И. Тихонов ; под редакцией В.И. Тихонова. 2002.

25. Харисов В.Н. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС / под ред. В.А. Болдина, А.И. Перова, В.Н. Харисова. М: ИПРЖР, 2004 - 400 с. - ISBN 5-88070-004-6.

26. AGARD, Lecture series 207, NATO, 1996.

27. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration, with MATLAB, John Wiley & Sons, Co-authors Grewal M.S. 2000 r.

28. Global Positioning Systems, Inertial Navigation, and Integration. Mobinder S. Grewal, Lawrense R. Weill, and P. Andrews. WILEY-INTERSCIENCE A John Wiley & Sons, Inc., Publication. 554(стр). 2007

29. Understanding GPS principles and applications. Ed. by E.D. Kaplan, published by Artech House Inc., Norwood, Massachusetts, 1996r.3. Статьи

30. Аникин А.Л. Статистический приемника спутниковой навигации и инерциальных датчиков / А.Л. Аникин, А.А. Оганесян, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2005. - №7. - с. 104-107.

31. Болденков Е.Н. Статистический анализ комбинированной схемы слежения за фазой сигнала в приемниках спутниковой навигации / Е.Н. Болденков, А.А. Перов, А.И. Перов // Радиотехника. 2003. - №7. - с. 97-103.

32. Булавский Н.Т. Обоснование модели динамики при синтезе схем слежения для приемников СРНС / Н.Т. Булавский, А.П. Горев, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2004. - №7, - с. 104-107.

33. Булавский Н.Т. Синтез оптимального алгоритма системной синхронизации / Н.Т. Булавский, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2004. - №7. - с. 7882.

34. Горев А.П. Исследования одноэтапного алгоритма навигационно-временных определений для приемника СРН / А.П. Горев, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2001. - №4, с. 3-18.

35. Горев А.П. Исследования характеристик алгоритма глубокой интеграции СРНС/ИНС / А.П. Горев, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2001. - №7. - с. 5663.

36. Горев А.П. К обоснованию модели при синтезе схем слежения для приемников СРНС / А.П. Горев, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2004. - №7.

37. Горев А.П. Синтез тесно связанного • алгоритма инерциально-спутниковой навигации / А.П. Горев, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2000. -№7. - с. 80-86.

38. Горский Е.А. Исследование функционирования аппаратуры СРНС в условиях горной местности / Е.А. Горский, JI.A. Крючков, А.А, Оганесян, А.Е. Перьков, В.Н. Харисов // Радиотехника. 2003. - №7.

39. Карпейкин А.В. Модели смещения времени прихода сигналов СРНС / А.В. Карпейкин, О.Ф. Новоселов // Научно-методические материалы по статистической радиотехнике под. ред. JI.A. Ершова ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1992. с.76-82.

40. Кинкулькин И.Е. Совмещенная аппаратура потребителей спутниковых радионавигационных систем / И. Е. Кинкулькин // Радиотехника //Среднеорбитальные спутниковые радионавигационные системы №2. -1999.-с. 21-24.

41. Михальченко С.В. Унифицированный алгоритм обработки информации в бесплатформенных инерциальных навигационных задачах. / С.В. Михальченко, Р.В. Шохин //Научно-методические материалы по авиационным комплексам. ВВИА им. Н.Е. Жуковского. 1998. - с. 45-54.

42. Морозов А.С. Исследование особенностей функционирования приемников спутниковой навигации в условиях городской застройки / Аксенов С.Ю., Морозов А.С., Оганесян А.А.// журнал «Электросвязь» №9. М.: 2008.

43. Перов А.И. Комбинированный одноэтапно-двухэтапный алгоритм когерентной обработки сигналов в приемнике СРНС / А.И. Перов,

44. A.Ю. Шатилов // Радиотехника. 2007. - №7.

45. Перов А.И. Некогерентный прием радиосигналов в теории оптимальной фильтрации и управления / А.И. Перов, В.Н. Харисов // Радиотехника. -2003.-№7. -с. 52-61.

46. Перов А.И. Синтез и анализ одноэтапного алгоритма обработки сигналов в некогерентном приемнике СРНС / А.И. Перов, А.Ю. Шатилов // Радиотехника. 2006. - №7. - с. 88-98.

47. Перов А.И. Сравнительный анализ характеристик двух алгоритмов комплексной вторичной обработки информации в инерциально-спутниковых навигационных системах / А.И. Перов, А.Ю. Шатилов // Радиотехника. -2003.-№7.-с. 88-98.

48. Пешехонов В.Г. Ключевые задачи современной автономной навигации / В.Г. Пешехонов// Гироскопия и навигация. 1996. - №1. с. 48

49. Степанов О.А., Кошаев Д.А. Исследование методов решения задачи ориентации с использованием спутниковых систем. СПб.: Гироскопия и навигация. - 1999. - №2. - с. 197-221.

50. Токарев А.В. Применение алгоритмов оптимальной фильтрации в задачах интерполяции траекторий движения объекта / А.В. Токарев,

51. B.Н. Харисов // Радиотехника. 2003. - №7. - с. 69-73152

52. Харисов В.Н. Одноэтапные алгоритмы для улучшения характеристик навигационных определений в СРНС. / Харисов В.Н., Пудловский В.Б., Оганесян А.А. // Радиотехника (Журнал в журнале). №7 2008г. с.13-18.3.35

53. Харисов В.Н., Эфендиев Р.Н. Алгоритмы нелинейной фильтрации с группированием наблюдений. М.: Изв. Вузов: //Радиоэлектроника, 1989г. № 8, с.29-33.

54. Харисов В.Н., Яковлев А.И., Глущенко А.Г. Оптимальная фильтрация координат подвижного объекта// Радиотехника и электроника 1984. № 10. -с. 1939-1947.

55. Хегай Д.К. Состояние и перспективы развития бесплатформенных инерциальных навигационных систем малых космических аппаратов / Д.К. Хегай // с. 45-52.

56. Martin М., Detterich В. The World's Smallest Military INS/GPS:P-MIGITS™II. ION-GPS, 1998.

57. Michael S. Braasch, PH.D., P.E. GNSS Solutions: Signal acquisition and search, and antenna polarization / Inside GNSS / March/April 2007. стр. 26-30

58. Richard E. Philips, George T. Schmidt GPS/INS Integration.// AGARD Lecture Series 207. System Implementation and Innovative of Satellite Navigation, 1996. pp.9.1-9.18.

59. Wim De Wilde, Jean-Marie Sleewaegen, Andrew Simsky, Christophe Vandewiele, Edda Peeters, Jan Grauwen, Frank Boon. New Fast Signal Acquisition Unit for GPS/Galileo Receivers, ENC GNSS 2006, Manchester, Septentrio NV, Belgium, 2006.

60. Диссертации и авторефераты

61. Нормативно-технические документы

62. Глобальная спутниковая навигационная система ГЛОНАСС. Интерфейсный контрольный документ. М.: Главкосмос, 1991. - 45 с.

63. Радионавигационный план российской федерации. М.: 2008. - 83 с.53. ADIS16350,iMEMS.

64. GP1010, Application Board, GEC Plessey Semiconductors, 1993.

65. GP1020, GPS 6 Channel Correlator (Advance Information), GEC Plessey Semiconductors, 1993.

66. GP2015, GPS Receiver RF Front End, Mitel Semiconductor, 1996.

67. GP2021, GPS 12 Channel Correlator (Advance Information), Mitel Semiconductor, 1996.

68. GPS Chipset-Designer's Guide, Mitel Semiconductor, 1998.