Повышение точности геодезических измерений с помощью рандомизации ошибки многолучевости в приемнике GPS/ГЛОНАСС тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.04, кандидат технических наук Вейцель, Андрей Владимирович

• Вейцель, Андрей Владимирович
• кандидат технических наук
• 2003

Оглавление диссертации кандидат технических наук Вейцель, Андрей Владимирович

Введение.

1. Геодезическое применение спутниковой навигационной системы.

1.1. Геодезические измерения.

1.2. Анализ ошибок при геодезическом применении спутниковой навигационной системы.

1.3. Обзор методов борьбы с ошибками многолучевости.

1.4. Рандомизация ошибки многолучевости.

1.5. Рандомизация ошибки многолучевости при геодезических измерениях.

2. Алгоритмы геодезических измерений.

2.1. Общая постановка задачи.

2.2. Повышение точности за счет дополнительных измерений угла.

2.3. Датчики угла отклонения от вертикали.

2.3.1. Типы существующих датчиков угла отклонения.

2.3.2. Ошибки датчика угла.

2.4. Определение систематических ошибок датчика угла при увеличении неизвестных параметров.

3. Имитационное моделирование.

3.1. Описание имитационной модели.

3.2. Модели многолучевости.

3.3. Динамические ошибки датчика угла отклонения.

3.4. Эксперименты на имитационной модели.

4. Аспекты реализации конструкции геодезической штанги с

• датчиком угла отклонения.

5. Полунатурное моделирование.

6. Экспериментальное исследование точности определения геодезических координат.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Повышение точности геодезических измерений с помощью рандомизации ошибки многолучевости в приемнике GPS/ГЛОНАСС»

Спутниковая навигационная система GPS/ГЛОНАСС

Спутниковая навигация - это новая, быстро развивающаяся ветвь навигации подвижных объектов. Она явилась одной из первых областей прикладной космонавтики, ориентированной на удовлетворение потребностей практической деятельности человека. Спутниковой радионавигационной системой (СРНС) принято называть такую радионавигационную систему, в которой роль опорных радионавигационных точек выполняют искусственные спутники земли, несущие навигационную аппаратуру [1].

Навигационные искусственные спутники земли (НИСЗ) являются аналогом неподвижных радионавигационных точек, представляющих собой опорные пункты наземных радионавигационных систем. Перенос радионавигационных точек из наземных точек *с фиксированными географическими координатами в точки, совершающие орбитальное движение, привёл к существенным изменениям в построении этих радионавигационных систем. Если наземные радионавигационные системы содержат в качестве основных своих звеньев только аппаратуру радионавигационных точек и потребителей, то СРНС включает в себя ряд дополнительных звеньев. В состав СРНС входят: подсистема космических аппаратов, подсистема контроля и управления и аппаратура потребителей. Подсистема контроля и управления обеспечивает подсистему космических аппаратов необходимой информацией для создания глобального навигационно-временного поля. С использованием аппаратуры потребителей решаются навигационные задачи по полученным данным навигационных измерений и сообщениям, а в некоторых случаях и другим данным.

Упрощённая структурная схема СРНС (рис.1.1) включает космодром, систему НИСЗ, аппаратуру потребителя, командно-измерительный комплекс и центр управления [10,2,1].

Космодром обеспечивает вывод НИСЗ на требуемые орбиты при первоначальном развёртывании СРНС, а также периодическое восполнение числа НИСЗ по мере выработки каждым из них ресурса.

Рис.1.1. Упрощённая структурная схема СРНС.

КИК - командно-измерительный комплекс;

ЦУ - центр управления.

Система НИСЗ представляет собой совокупность источников навигационных сигналов, передающих одновременно значительный объём служебной информации. На НИСЗ, как на космическом аппарате, размещается разнообразная аппаратура: средства пространственной стабилизации, аппаратура траекторных измерений, телеметрическая система, аппаратура командного и программного управления, системы энергопитания и терморегулирования.

Аппаратура потребителей предназначается для приёма сигналов от НИСЗ, измерения навигационных параметров и обработки измерений. Для решения навигационных задач в аппаратуре потребителя предусматривается специализированная ЭВМ.

Командно-измерительный комплекс (именуемый также подсистемой контроля и управления) служит для снабжения НИСЗ служебной информацией, необходимой для проведения навигационных сеансов, а также для контроля за НИСЗ и для управления ими, как космическими аппаратами.

Координирует функционирование всех элементов СРНС центр управления, который связан информационными и управляющими радиолиниями с командно-измерительным комплексом.

В настоящее время широко используются для навигации объектов спутниковые радионавигационные системы «Глонасс» (Россия) и «Навстар» или GPS (США) [1,2]. Эти СРНС позволяют решать как частные навигационные задачи, так и практически все основные задачи навигационно-временного обеспечения различных военных и гражданских потребителей. Они обеспечивают глобальные, непрерывные в реальном масштабе времени, высокоточные определения пространственных координат места и скорости объектов, а также поправок времени и частот их генераторов. СРНС удовлетворяют перспективным требованиям к навигационному и временному обеспечению различных потребителей на поверхности Земли, в приземном и ближнем космическом пространствах.

Данные СРНС обеспечивают решение большого числа различных навигационных задач военными и гражданскими потребителями. При этом повышается эффективность выполнения боевых операций, обеспечивается проведение научно-исследовательских и поисковых работ для военных и гражданских целей, снижаются аварийность, расход топлива и т.д. [1]. Это обеспечивается за счет достаточно высокой точности, которая достигается при абсолютной навигации (10м или 30м при режиме селективного доступа в GPS) СРНС. Кроме этого часто применяется дифференциальный режим, использующий как относительную кодовую навигацию (0.5м-1м), так и относительную фазовокодовую навигацию (1см-2см). В основе дифференциального метода лежит формирование разности измерений между базовой станцией и передвижной станцией, что и придало методу название дифференциальный. Внимание к дифференциальному режиму связано с необходимостью обеспечивать решение задач, требующих точностей лучше, чем 10 м., а также стремлением гражданских потребителей повысить точность навигации, обеспечиваемую предоставляемым им кодом С/А [15].

Структура дифференциальной подсистемы поясняется рис. 1.2, где изображено рабочее созвездие из четырёх НИСЗ, выбранное потребителем как оптимальное для выполнения им навигационно-временного определения в стандартном режиме. Собственно дифференциальную подсистему образуют средства наземной контрольно-корректирующей станции и дополнительные бортовые устройства потребителя.

На контрольно-корректирующей станции размещены: базовая станция - аппаратура потребителей системы, способная в результате накопления измерений и фильтрации случайных погрешностей обеспечить наиболее точные навигационно-временные определения; формирователь корректирующей информации, вычисляющий поправки на сильно коррелированные погрешности и формирующий кадр корректирующей информации; передатчик корректирующей информации.

На борту потребителя размещаются: аппаратура приёма корректирующей информации и устройство ввода корректирующей информации в стандартную аппаратуру потребителя. Антенна аппаратуры потребителя, размещённая на контрольно-корректирующей станции, привязывается на местности с геодезической точностью.

НИСЗ-1 СЮ нисз-2

Истинные координаты ККС

Рис.1.2. Структура дифференциальной подсистемы: ККС - контрольно-корректирующая станция; КИ - корректирующая информация.

В дифференциальном режиме на борту потребителя результаты определений в стандартном режиме будут автоматически корректироваться с помощью переданных с контрольно-корректирующей станции поправок. Поскольку контрольно-корректирующая станция имеет ограниченную зону действия, на обеспечиваемой территории размещается ряд таких станций, каждой из которых потребитель пользуется в зоне уверенной передачи ею корректирующая информация.

Область возможного применения дифференциального режима сравнительно широка. В литературе рассматриваются возможности использования дифференциального режима в основном по трём направлениям: для повышения точности навигации при работе с сигналами с С/А-кодом; для повышения точности при приёме сигнала с Р-кодом; для восстановления точности при нештатной работе систем «Глонасс» и «Навстар».

В зависимости от решаемых задач при дифференциальной навигации могут быть использованы разные режимы, отличающиеся способом передачи результатов измерений от базовой станции к потребителю. В режиме постобработки эти результаты передаются в виде записей в цифровой форме и поступают потребителю после того, как все измерения закончены. При постобработке потребитель восстанавливает свое положение на определенные моменты прошедшего времени.

Другой режим - реалтайм-обработка - предусматривает местоопределение пользователя непросредственно во время измерений. Режим реалтайм-обработки использует линию связи (обычно это радиосвязь), по которой в цифровой форме передается от базовой станции к потребителю вся необходимая информация.

Повышение точности дифференциальной навигации может быть достигнуто, если измерения псевдодальностей по кодам дополнить измерениями фазы несущей частоты. Если измерить фазу несущей, полученного от спутника в приемнике базовой станции, и сравнить ее с фазой несущей от того же спутника, измеренной в приемнике потребителя, можно получить точность до нескольких процентов от длины волны несущего колебания.

Практическая реализация тех преимуществ, которые могут обеспечить измерения по фазе несущей, связана с необходимостью разрешения неоднозначности фазовых измерений.

Общая схема вычислений подробно изложена в литературе по спутниковой навигации. Наиболее полно это изложение можно найти на английском языке в книге Bradford W.Parkinson, James J.Spilker Jr., Global Positioning Theory and Applications [11]. На русском языке - в книге по ред. В.С.Шебшаевича Сетевые спутниковые радионавигационные системы (1993) [10].

Отдельные проблемы, связанные с обработкой навигационной информации, рассматриваются во многих статьях, руководствах и патентах.

Потребители спутниковой навигационной системы

До последнего времени создание СРНС осуществлялось в соответствии с требованиями, определяемыми их первоначальным целевым предназначением. Общими для GPS и Глонасс при этом были требования глобальности, независимости от гидрометеорологических условий, подстилающей поверхности, рельефа местности, окружающей растительности, застройки, времени суток и года, непрерывности, неограниченной пропускной способности, практической независимости от высоты над поверхностью земли, помехозащищенности и других условий движения определяющегося объекта.

Использование СРНС в интересах местоопределения и навигации гражданских объектов (самолетов и вертолетов, морских и речных судов, автомобилей, топопривязчиков и др.) выдвигает новые более высокие требования, вытекающие из необходимости обеспечения безопасности и экономичности движения, а также решения специальных задач (наблюдение, аэрофотосъемка, поиск полезных ископаемых, поиск и спасение терпящих бедствие транспортных средств и людей).

Рассмотрим различные области применения спутниковых радионавигационных систем.

Зональная навигация и заход на посадку. При заходе на посадку на аэродром, не оборудованный специальными радиотехническими посадочными системами, требуется точность до 5 м. При работе по С/А-коду в стандартном режиме посадка на необорудованный аэродром не обеспечивается. Применение дифференциального режима открывает такие возможности для большого парка самолётов коммерческой и гражданской авиации. В тоже время военные самолёты, решающие те же задачи с использованием Р-кода, получат в дифференциальном режиме ещё более высокую точность.

Навигация судов в узких проливах и каналах. При проходе по узким судоходным руслам, за счёт использования дифференциального режима можно будет повысить безопасность движения судов. При вождении в узких каналах современных крупногабаритных судов требуется точность 4-10 м., для реализации которой в дифференциальном режиме могут оказаться недостаточными возможности при работе с С/А-кодом и потребуется использовать Р-код.

Поддержание строя при совместном движении. При совместном движении боевых самолётов и кораблей, транспортных самолётов, самолётов-заправщиков, судов на подводных крыльях, танков и других объектов бывает необходимо поддерживать строй с высокой точностью. Эту задачу можно решать при работе по сигналам с С/А-кодом или с Р-кодом (в зависимости от объекта), используя дифференциальный режим. Все единицы группы проводят сопоставление своих координат с координатами других участников движения, получая в результате вычитания практически полную компенсацию сильно-коррелированных погрешностей. Полученные относительные координаты будут иметь точность на уровне шумовых погрешностей аппаратуры.

Всепогодное наведение вертолётов на промысловые плавающие средства. Проведение разведки нефти и других промысловых работ в открытом море с плавающих средств создаёт необходимость всепогодного наведения на них вертолётов при пополнении необходимых запасов. Такая задача может обеспечиваться использованием дифференциального режима при котором контрольно-корректирующая станция размещается на плавающей базе, а вертолёт, оснащённый аппаратурой потребителя, совершает заход на посадку, получая от контрольно-корректирующей станции соответствующие поправки. Поскольку в этом случае по мере приближения вертолёта расстояние между потребителем и контрольно-корректирующей станцией уменьшается, остаточная ошибка будет уменьшаться, что позволит полностью реализовать возможности дифференциального метода.

Картографические и геодезические работы.

Важной областью применения приемников сигналов спутниковых навигационных систем является геодезия, в которой такие приемники обладают целым рядом преимуществ перед традиционными средствами. К этим преимуществам прежде всего относятся: оперативность, всепогодность, возможность работы в любое время суток, отсутствие необходимости прямой видимости при выполнении дифференциальных измерений.

В настоящее время решение широкого круга геодезических задач уже невозможно представить без применения спутниковых радионавигационных систем глобального обзора типа ГЛОНАСС и GPS. Геодезические методы, основанные на использовании этих систем, занимают ведущие позиции при построении глобальных и региональных геодезических сетей, определении параметров вращения Земли, решении задач глобальной и региональной геодинамики. Геодезические СРНС-определения, благодаря повышенной точности, оперативности, независимости от погодных условий, отсутствию требований к взаимной видимости между определяемыми пунктами, практически вытеснили традиционные наземные геодезические методы при построении локальных сетей как общего назначения, так и сетей, создаваемых для определения деформации земной поверхности природного и технического происхождения. Все более массовый характер приобретает использование СРНС-аппаратуры при проведении геодезических и топографических съемок различного назначения, при геодезической привязке аэроснимков и космических снимков высокого разрешения, а также для непосредственной геодезической привязки положений фотокамер в процессе выполнения аэросъемки.

Задачи глобальной и региональной геодинамики, налагают на СРНС наиболее жесткие требования по точности и дальности передачи координат

Змм + 5мм на каждые 1000 км (3mm+5E-9*L, где L - расстояние) [1]. При решении задач локальной геодинамики на территориях протяженностью от нескольких десятков до нескольких сотен километров необходима точность Змм+1мм на каждые 10км. Повышенные требования к точности возникают и при использовании спутниковых методов для определения нормальных высот (спутниковое нивелирование). Необходимая при этом точность определения высот составляет 5мм+10.30мм на каждые 100км [1].

Задача обеспечения точности 5-8 мм возникает также при проведении высокоточных геодезических измерений. При этом аппаратура должна быть достаточно простой в обращении и экономной по энергопотреблению. Важно также обеспечить быстрое получение измерений с требуемой точностью т.к. работа геодезиста предусматривает проведение измерений в достаточно большом количестве разных точек. Достижение точности дифференциальных измерений с погрешностью 5-6 мм в частности при геодезических работах является актуальной задачей, которой посвящена эта работа.

Заключение диссертации по теме «Радиотехника, в том числе системы и устройства телевидения», Вейцель, Андрей Владимирович

Выводы:

Имитационное моделирование показало, что данная система позволяет бороться с некоторыми вариантами многолучевых сигналов, принимаемых навигационным приемником. В результате моделирования удалось сформировать некоторые требования к траектории перемещения антенны с геодезической штангой. Их суть заключается в том, что перемещения должны быть линейными в различных направлениях. При движении не должно быть резких поворотов и изменений направлений движения, которые характеризуются большими ускорениями. Один из вариантов таких траекторий приведен на рис.3.5В.

Имитационное моделирование не позволяет полностью проверить работоспособность системы. В данном случае модель многолучевости была очень приближенной. В реальности влияние многолучевых сигналов на ошибку определения координат значительно более сложное, чем описанное формулой 3.2. Поэтому усреднение многолучевости будет хуже, чем показало имитационное моделирование. При моделировании были использованы идеальные детерминированные траектории движения. В случае реального движения выдержать такие детерминированные траектории будет практически невозможно. Также очень сложно осуществлять движение ускорений. Поэтому в реальных условиях система будет определять координаты с худшей точностью, чем показало имитационное моделирование. Имитационное моделирование позволило выработать требования к системе и рекомендации к траекториям движения которые вкратце сводятся к следующему:

1. штангу надо качать плавно без рывков и резких наклонов, изменять направление движения также надо плавно,

2. качать штангу достаточно в течение 30-60 сек,

3. датчик угла должен быть расположен в нижнем конце штанги.

Для более полной оценки точности системы необходимо полунатурное моделирование.

4. Аспекты реализации конструкции геодезической штанги с датчиком угла отклонения

Для получения реальных данных необходимо было создание опытного образца системы.

Рассмотрим основные части системы и ее работу. Система состоит из антенны, приемника сигналов навигационных спутниковых систем, геодезической штанги, средства обеспечения дифференциальными поправками, устройства измерения угла отклонения штанги от вертикали. Т.к. данная система предназначена для проведения высокоточных геодезических измерений, то ее составляющие должны соответствовать этим требованиям. Антенна должна применяться с малыми флуктуациями фазового центра, обладать центральной симметрией диаграммы направленности в азимутальной плоскости. Желательно применение двухчастотной антенны. Навигационный приемник должен поддерживать режим фазовых измерений. Обработка измерений может производиться как в режиме пост-обработке, так и в режиме реалтайм-обработке. В режиме постобработки данные записываются одновременно в приемнике, расположенным в измеряемой точке, и в приемнике, расположенном в специальной базовой точке, относительно которой проводят дифференциальные измерения. Этот второй приемник называется базовой станцией. Записанные измерения затем обрабатываются в одном месте на компьютере с помощью специальной программы. В режиме реальных измерений с базовой станции измерения пересылаются с помощью модема передачи дифференциальных поправок в приемник, расположенный в измеряемой точке. Обработка данных происходит в программе, выполняющейся в этом приемнике. В случае работы в фазовомдифференциальном режиме происходит разрешение неоднозначностей и выдача относительного фазового решения координат.

В данной системе рекомендуется использовать двухсистемный приемник GPS/ГЛОННАС, т.к. он обеспечивает большое количество спутников при работе данной системы. Количество спутников в данном случае актуально, т.к. при качании штанги некоторые спутники могут не приниматься. Отклонение штанги происходит на малые углы, но спутники с малыми углами возвышения могут переставать ловиться. Иногда при малом числе спутников GPS дополнительные спутники системы ГЛОННАС позволяют получить необходимое количество спутников для вычисления координат.

По ранее сделанным выводам об особенностях применения датчика угла наклона было сделано устройство измерения угла отклонения штанги от вертикали. Это устройство имеет цилиндрический корпус, заканчивающийся острым концом, и представляет из себя нижний конец штанги (см. рис.4.1). Обычная геодезическая штанга с антенной на верхнем конце нижним концом вкручивается в это устройство. Датчик измерения угла должен находиться в нижней части корпуса, максимально близко к нижнему концу. Его высота от нижнего конца штанги определяется габаритами датчика и размерами корпуса. Обычно нижний конец геодезической штанги делается острым и имеет угол ~20 град. Это определяется спецификой использования геодезических штанг при навигационных применениях. Человек, держащий такую штангу, должен со своего роста видеть точку на земле, в которую он втыкает нижней конец штанги. Угол нижнего конца штанги выбирается под средний рост человека. Изготовленное устройство, которое представляет собой нижней конец штанги с датчиком угла наклона, было сделано с углом 20 град, у нижнего основания.

Датчик угла, который должен быть в нем размещен на высоте порядка 2 см, должен иметь очень малые габариты. В качестве такого датчика была применена микросхема ADXL202AE, производимая компанией «Analog Devices» [71-73]. Эта микросхема является акселерометром, способным измерять проекции вектора ускорения на свои две взаимоперпендикулярные чувствительные оси х и у. Как было предложено ранее, оси датчика должны быть расположены параллельно поверхности Земли и соответственно перпендикулярно оси штанги. Измеряемое акселерометром ускорение складывается из динамической составляющей и статической. Если динамическое воздействие мало (акселерометр практически неподвижен), то он выдает практически только значение проекций вектора ускорения свободного падения в сумме с шумовой составляющей на чувствительные оси. Причем, т.к. ускорение выдается в единицах ускорения свободного падения g, то выходные сигналы акселерометра равны cos(^) и cos[<ру), где

9х и Фу углы между соответствующей осью акселерометра и вектором ускорения свободного падения.

Выбранный датчик имеет очень малые габариты - 5мм* 5мм*2мм. Датчик был установлен на печатную плату, которая, в свою очередь, была расположена в корпусе нижнего конца штанги. При этом печатная плата расположена в корпусе перпендикулярно оси штанги. В связи с ограниченными возможностями изготовления экспериментального образца устройства, датчик удалось расположить только на высоте 4см от нижнего конца корпуса. При этом на датчик будут действовать ускорения, в два раза большие, чем рассчитанные в главе 2. Датчик был расположен строго в центре корпуса, поэтому на него не будет действовать центростремительное ускорение в случае вращения штанги.

Для съема и передачи информации об угле отклонения штанги в навигационный приемник в корпус с датчиком была установлена электронная схема. С датчика информация выдается в виде аналогового сигнала и двухуровневого сигнала с цифровыми логическими уровнями "0" (нуля) и "1" (единицы). Для обработки аналогового сигнала необходимо использовать аналого-цифровой преобразователь(АЦП). Затем информацию с АЦП необходимо обработать и передать по стандартному интерфейсу RS232. Для этого может быть применен микроконтроллер. В разработанном макете устройства информация с датчика снималась через двухуровневый сигнал. Этот сигнал представляет собой широтно-импульсную модуляцию. Информация об ускорении заложена в отношении длительности импульса к периоду импульсов. Период следования импульсов порядка 1кГц. Для измерения длительности импульсов был использован микроконтроллер. Для измерения длительности импульсов в микроконтроллере использовался специальный блок счетчиков. Счетчики запускались в момент начала импульсов и останавливались в момент окончания импульсов. Такой вариант позволил отказаться от использования АЦП и упростить схему. Микроконтроллер выбирался исходя из необходимой скорости работы счетчиков и производительности для вычислений. Был выбран микроконтроллер фирмы Atmel. Он работает на частоте 8МГц, имеет целочисленный 8 битный процессор и блок счетчиков.

На рис.4.2 приведена схема разработанного устройства. Сигналы с акселерометра поступают в микроконтроллер в блок счетчиков, а затем информация со счетчиков поступает с процессор. Информация со счетчиков в процессоре пересчитывается в ускорения по двум осям датчика в единицах ускорения свободного падения g. высота от земли - 2см.

Рис.4.1 синхросигнал

Передача информации из микроконтроллера осуществляется через последовательный порт. Для этого в устройстве использована микросхема транслятора уровней из цифровых логических сигналов микроконтроллера в сигналы интерфейса RS232.

Для работы устройства совместно с навигационным приемником необходима синхронизация устройства. Данные измерения угла должны быть синхронны с данными навигационного приемника. Точность синхронизации определяется динамикой движения штанги и частотой вычисления координат навигационным приемником. Навигационный приемник вычисляет координаты фазового центра антенны с частотой 1.10Гц. С этой же частотой должны измеряться данные об угле отклонения штанги. При максимальной скорости наклона штанги 20 град/сек, точность привязки данных должна быть не хуже 5 мсек. При такой точности синхронизации ошибка будет не больше 0,1 град, что сопоставимо с точностью датчика угла. Для синхронизации микроконтроллера с навигационным приемником был использован служебный сигнал интерфейса RS232. В интерфейсе RS232 есть сигналы для приема и передачи информации (которые для приема-передачи были использованы) и несколько служебных сигналов (один из них был использован для синхронизации). Процессор навигационного приемника формирует через служебный сигнал тактовые импульсы для микроконтроллера. По ним микроконтроллер снимает данные с датчика угла и выдает их в навигационный приемник. Такая синхронизация позволила получить точность порядка 1-2мсек.

Для работы микроконтроллера была написана программа на языке программирования СИ. Затем она была откомпилирована в машинный код и загружена в постоянную память микроконтроллера. Укрупненная блок-схема этой программы приведена на рис.4.3.

Рис.4.3

5. Полунатурное моделирование

В процессе разработки и отладки системы выполнялось полунатурное моделирование. В отличие от имитационной модели здесь все внешние воздействия получались в результате натурного эксперимента, записывались в память ЭВМ, а затем обрабатывались на разработанной ранее программе для определения координат измеряемой точки в компьютере IBM PC.

В компании ООО «Топкон Позишионинг Системе СНГ" в соответствии с предложенной конструкцией был изготовлен образец геодезической штанги с включением устройства измерения угла отклонения штанги от вертикали.

Для проведения этого эксперимента была использована базовая станция, которая установлена в условиях с хорошей видимостью спутников и с малой многолучевостью. Базовая станция была установлена на крыше 20 этажного здания в городе Москве. В ближайшей части города это было самое высотное здание. Базовая станция была установлена в точке с известными координатами.

Измеряемая точка находилась на крыше соседнего 5-ти этажного здания. Рядом с этим зданием находилось несколько высотных зданий, на крыше находилось большое количество возвышений, стенок, поручней и труб. Все эти факторы создавали довольно сильную многолучевость в измеряемой точке.

Для получения координат измеряемой точки в ней проводились измерения в течение длительного времени. Для этого в эту точку была установлена штанга с антенной строго вертикально с помощью специальных геодезических приборов и приспособлений. Использовались специальная тренога и пузырьковые уровни. На рис. 5.1 показана эта конструкция.

После проведения измерений была произведена обработка статического файла данных (записанного в течении ~16 часов) выдаваемых RTK приемника ( режим реал-тайм обработки с разрешением неоднозначностей) между базой, установленной на базовой точке, и неподвижным приемником, установленным на измеряемой точке.

Весь участок разбивался на 10 участков по 2000 эпох. Эпоха равняется 2 сек, т.е. участок приблизительно 1 час 6 мин.

По этим участкам построены автокорреляционные функции (см. рис 5.2, 5.3, 5.4). По ним видно что, время корреляции координат порядка 1 часа. Основная составляющая этой ошибки - это многолучевая ошибка. Для каждого из этих участков были рассчитаны математическое ожидание и СКО координат. Они приводятся ниже в таблице 5.1.

По всем этим данным были получены координаты измеряемой точки:

XYZ+CKOxyz= (-1.988839766883555е+004, -2.109091188601699е+001, -7.177061628376812е+001)±

1.304304751339672е-003, 6.977782612400923е-004, 1.365139799720646е-003)

Рис.5.1

-5

-6 х 10

Рис.5.3

-5 х 10

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

В настоящей диссертационной работе в соответствии с поставленными целью и задачами:

1. Показано, что применение датчика угла наклона позволяет уменьшить ошибки многолучевости в определении координат навигационным приемником,

2. Показана возможность применения реально выпускаемых промышленностью датчиков для измерения угла,

3. Разработана методика совместной обработки координат навигационного приемника и измерений угла с учетом ошибок измерений реальных датчиков,

4. Разработаны рекомендации к конструкции системы, даны рекомендации по моделям датчиков. Разработанная система упрощает определение координат за счет отсутствия необходимости вертикальной установки геодезической штанги,

5. Экспериментальное изучение влияния ошибок многолучевости на точность определения координат показало, что предложенная обработка измерений датчика угла и координат навигационного приемника позволяет улучшить точность определения координаты точки на земле на 10-30% по сравнению с усреднением координат навигационного приемника в этой же точке. Совместная обработка измерений и усреднение осуществлялись за одно и то же время.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Вейцель, Андрей Владимирович, 2003 год

1. Харисов В.Н., Перов А.И., Болдин В.А. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. - М.: ИПРЖР, 1998

2. Поваляев А.А. Спутниковые радиосистемы управления движением в околоземном пространстве. М.: МАИ, 1994.

3. Березин Л.В., Вейцель В.А. Теория и проектирование радиосистем / Под ред. Типугина В.Н. М.: Сов. радио, 1977. - 448 с.

4. Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. -М.: Наука, 1980. 976 с.

5. Ван Трис Г. Теория обнаружения, оценок и модуляции: Пер с англ. / Под ред. В.И. Тихонова -М.: Сов. радио, 1972. 744 с.

6. Вейцель В.А., Жданов А.В., Жодзишский М.И. Стробовые корреляторы в навигационных приемниках с псевдошумовыми сигналами // Радиотехника. -1997, №8. С. 11- 20.

7. Вейцель А.В. "Обработка сигналов навигационного приемника GPS/ГЛОНАСС для повышения точности геодезических измерений // Синхронизация, формирование и обработка сигналов. Материалы научно-технического семинара. Ярославль 3-5 июля 2003г.

8. Глобальная навигационная спутниковая система ГЛОНАСС // Интерфейсный контрольный документ. Координационный научно-информационный центр ВКС РФ, 1995. 54 с.

9. Вентцель Е.С. Теория вероятностей М.: 1958.

10. Сетевые спутниковые радионавигационные системы / B.C. Шебшаевич, П.П. Дмитриев, Н.В. Иванцевич и др.; под ред. B.C. Шебшаевича-М.: Радио и связь, 1993. -408 с.

11. Parkinson B.W., Spilker J.J. Global Positioning Theory and Aplication, 1991.

12. Гоноровский И.С., Демин М.П. Радиотехнические цепи и сигналы. -М.: Радио и связь, 1994. -480 с.

13. Вейцель А.В., Жодзишский М.И. Применение датчиков азимута и угла наклона для увеличения точности измерений по спутниковым системам Глонасс и GPS // Всероссийская молодежная научная конференция «VI Королевские чтения» 2001г. Тезисы докладов

14. М.Вейцель А.В., Жодзишский М.И. Аппаратура для экспериментального исследования системы совместного слежения в навигационном приемнике // Ракетные и аэрокосмические системы: Сборник тезисов статей студентов, аспирантов и молодых ученых М.: МАИ 2000г.

15. Жодзишский М.И. Проектирование цифровых устройств обработки широкополосных сигналов. М.: МАИ, 1986 г. - 52 с.

16. Корн Г., Корн Т. Справочник по математике для научных работников и инженеров. М.: Наука, 1984. - 735 с.

17. Кук Ч., Бернфельд М. Радиолокационные сигналы. -М.: Советское радио, 1971.-568 с.

18. Агаджанов П. А., Дулевич В.Е., Коростелев А.А. Космические траекторные измерения. Радиотехнические методы измерений и математическая обработка данных. -М.: Сов. радио, 1969

19. Левин Б.Р. Теоретические основы статистической радиотехники. Кн. 1-я. -М.: Сов. радио, 1974. -552 с.

20. Ли У. Техника подвижных систем связи: Пер с англ. -М.: Радио и связь, 1985. 392 с.

21. Мирский Г.Я. Аппаратурное определение характеристик случайных процессов. -М.: Энергия, 1972. 456 с.

22. Петрович Н.Т., Размахнин М.К. Системы связи с шумоподобными сигналами. М.: Сов. радио, 1969.- 232 с.

23. Побережский Е.С. Цифровые радиоприемные устройства. -М.: Радио и связь, 1987.-184 с.

24. Рабинер JI. Гоулд Б. Теория и применение цифровой обработки сигналов: Пер с англ. / Под ред. Александрова Ю.А. -М.: Мир, 1978. 848 с.

25. Радиолокационные устройства (теория и принципы построения) / Васин В.В., Власов О.В., Григорин-Рябов В.В., Дудник П.И., Степанов Б.М.; под ред. Григорина-Рябова В.В. -М.: Сов. радио, 1970. 680 с.

26. Радиорелейные и спутниковые системы передачи / А.С. Немировский, О.С. Данилович, Ю.И. Маримонт и др.; под ред. А.С. Немировского М.: Радио и Связь, 1986. -392 с.

27. Сейдж Э., Меле Д. Теория оценивания и ее применение в связи и управлении: Пер с англ. / Под ред. Б.Р. Левина -М.: Связь, 1976. 496 с.

28. Вейцель В.А., Типугин В.Н., Основы радиоуправления. Учебное пособие для вузов М.: Сов. Радио, 1973г.

29. А.П.Жуковский, В.В. Расторгуев Автономные комплексированные устройства и системы управления. -М.: МАИ, 198131 .Теоретические основы радиолокации и радионавигации / Сосулин Ю.Г.: М.: Радио и связь, 1992г. 304 с.

30. Теория обнаружения сигналов / П.С. Акимов, П.А. Бакут, В.А. Богданович и др.; под ред. П.А. Бакута. М.: Радио и Связь, 1984. -440 с.

31. Пугачев B.C. Теория случайных функций и ее применение к задачам автоматического управления, М: 1962

32. Тихонов А.Н., Арсенин В.Я. Методы решения некорректных задач. -М.: Наука, 1977. -286 с.

33. Тихонов В.И. Оптимальный прием сигналов. М.: Радио и Связь, 1983. -320 с.

34. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Радио и связь, 1982. -624 с.

35. Тихонов В.И. Статистическая радиотехника. -М.: Сов. радио, 1966. -681 с.

36. Финк JI.M. Теория передачи дискретных сообщений. М.: Сов. радио, 1970.- 728 с.

37. Цифровые радиоприемные системы: Справочник / М.И. Жодзишский, Р.Б. Мазепа, Е.П. Овсяников и др.; под ред. М.И. Жодзишского М.: Радио и Связь, 1990. -208 с.

38. Цифровые системы фазовой синхронизации / М.И. Жодзишский, С.Ю. Сила- Новицкий, В.А. Прасолов и др.; под ред. Жодзишского М.И. М.: Сов. Радио, 1980.-208 с.

39. Черный Ф.Б. Распространение радиоволн. М.: Сов. радио, 1962.- 480 с.

40. Ярлыков М.С. Применение марковской теории нелинейной фильтрации в радиотехнике. М.: Сов. радио, 1980.- 360 с.

41. Ярлыков М.С. Статистическая теория радионавигации. М.: Радио и связь, 1985.-344 с.

42. Comp C., Axelrad P. An adaptive SNR -based carrier phase multipath mitigation technique // Proc. of the 1996 Int. Tech. Meeting of the ION, Kansas City, MS, 1996, pp. 683-697.

43. Dai D., Walter Т., Comp C., Tsai Y., Ко P., Enge P., Powell D. High integrity multipath mitigation techniques for ground reference stations // Proc. of the 1997 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1997, pp. 593-604.

44. Filippov V., Tatarnicov D., Ashjaee J., Astakhov A., Sutiagin I. The First Dual-Depth Dual- Frequency Choke Ring // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

45. Global Positioning System: theory and applications / Ed. Parkinson В., Spilker J. -American Institute of Aeronautics and Astronautics, 1996.- 794 p.

46. Lyusin S., Khazanov I. Techniques for Improving Antijamming performance of Civil GPS/GLONASS Receivers // Proc. of the 1997 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1997, pp. 1489-1495.

47. Multipath Estimating Delay Lock Loop. Specification / http://www.novatel.eom/GPSTECH/TECH/AVIATION/SPECS/MEDSPEC.H TM.

48. Navstar GPS Space Segment/ Navigation User Interfaces // Interface Control Document. ICD-GPS-200C. 1997. -138 p.

49. Patent №US5512905 Pole-tilt sensor for surveyor range pole / Mark E. Nichols, Nicholas C. Talbot Trimble Navigation Limited, 1996.

50. Patent №US6633256B2. Metods and systems for improvement of measurement efficienty in surveying / Zhdanov V.A., Ashjaee J. Topcon Positioning Sytems, 2003.

51. Patent №US5929807 Metod and apparatus for precision location of GPS survey tilt pole / Ian Timothy Viney, Philip Richard Jackson, Trimble Navigation Limited, 1999.

52. Townsend В., Fenton P. A practical approach to the reduction of pseudorange multipath errors in a LI GPS receiver // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 143-148.

53. Townsend В., Van Nee R., Fenton P., Van Dierendonck K. LI Carrier phase multipath reduction using MEDLL technology// Proc. of the 1995 Int. Tech. Meeting of the ION, Palm Springs, CA, MO, 1995, pp. 1539- 1544.

54. Townsend В., Van Nee R., Fenton P., Van Dierendonck K. Performance evaluation of the Multipath Estimating Delay Lock Loop // Proc. of the 1995 Nat. Tech. Meeting of the ION, Anaheim, CA, USA, 1995.

55. Turin L., Clapp F., Jonston Т., Fine S., Lavry D. A statistical model of urban multipath propagation // IEEE transactions on vehicular technology, Vol. VT-21, No. 1, Feb. 1972.

56. Understanding GPS: principles and applications / Ed. Kaplan E. -Artech House,1996.- 554 p.

57. Van den Brekel В., Van Nee R. GPS multipath mitigation by antenna movements // Electronic letters, 3 December, 1992 Vol. 28 No 25 pp. 22862288.

58. Van Nee R., Siereveld J., Fenton P., Townsend B. The Multipath Estimating Delay Lock Loop: approaching theoretical accuracy limits // Proc. of the IEEE Position, Location and Navigation Symposium, Las Vegas, NV, USA, 1994, pp. 246-251.

59. Veitsel V., Zhdanov A., Zhodzishsky M. The mitigation of multipath errors by strobe correlators in GPS/GLONASS receivers // GPS Solutions, Volume 2, Number 2, Fall 1998.

60. Weill L. Achieving theoretical accuracy limits for pseudoranging in the presence of multipath // Proc. of the 1995 Int. Tech. Meeting of the ION, Palm Springs, CA, MO, 1995, pp. 657-664.

61. Weill L. C/A code pseudoranging accuracy- how good can it get? // Proc. of the 1994 Int. Tech. Meeting of the ION, Salt Lake City, UT, USA, 1994, pp. 133141.

62. Weill L. Conquering multipath: the GPS accuracy battle // GPS World, April1997, pp. 59-66.

63. Weill L. GPS multipath mitigation by means of correlator reference waveform design // Proc. of the 1997 Nat. Tech. Meeting of the ION, Santa Monica, CA, 1997, pp. 197-206.

64. WIPO PCT Publication WO 97/06446. Multipath error reduction in a spread spectrum receiver for ranging applications / Zhodzishsky M., Veitsel V., Sila-Novitsky S., Ashjaee J., Garin L. Filed Aug. 08, 1996.

65. WIPO PCT Publication WO 98/13947. A signal correlation technique for a spread spectrum receiver to reduce multipath errors / Garin L., Zhodzishsky M., Veitsel V., Sila-Novitsky S., Kamgar F. Filed Sep. 25, 1996.

66. Zhodzishsky M., Cherniavsky D., Kirsanov A., Vorobiev M., Prasolov V., Zhdanov A., Ashjaee J. In-band interference suppression for GPS/GLONASS // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

67. Zhodzishsky M., Yudanov S., Veitsel V., Ashjaee J. Co-Op tracking for carrier phase // Proc. of the 1998 Int. Tech. Meeting of the ION, Nashville, TN, 1998.

68. Mitigation of multipath in DGPS ground reference stations. M.S. Braasch, F. van Graas. Proc. of the National Technical Meeting. The Institute of navigation. San Diego, 1992

69. Understanding accelerometer scale factor and offset adjustments, Charles Kitchin, Application Note №396, 2000

70. Low cost 2g dual-axis accelerometer with duty cycle output ADXL202, Datasheet, Analog Devices, 2000

71. Compensating for the offset drift of the accelerometer, Charles Kitchin, Paul Brokaw, Application Note №380, 2000