Научно-образовательный материал «Лабораторная работа удаленного доступа «Исследование точности определения координат

Научно-образовательный материал
«Лабораторная работа удаленного доступа
«Исследование точности определения координат
ГЛОНАСС/GPS приемником в зависимости от геометрии
наблюдаемого созвездия НКА»»
Авторы:
Власов И.Б., профессор каф. РЛ-1,
Карутин С.Н., доцент каф. РЛ-1,
Мыкольников Я.В., ассистент каф. РЛ-1,
Семенов Д.В., инженер НИИ РЭТ МГТУ им. Баумана,
Шумов А.В., доцент каф. РЛ-1.
г. Москва
2011 г.
Аннотация
Данный научно-методический материал предназначен для обучения
студентов V курса МГТУ им. Н.Э. Баумана специальности
«Радиотехнические системы и устройства» и получения навыков работы с
ГЛОНАСС/GPS приемником в рамках дисциплины «Радионавигационные
системы».
Лабораторная работа выполнена с применением современных
информационных технологий в образовании – удаленный доступ через
глобальную сеть Интернет к реальному и уникальному оборудованию.
Объектом исследований в лабораторной работе является ГЛОНАСС/GPS
приемник геодезического класса Topcon Javad Half Eurocard GG.
В ходе работы студенты знакомятся с устройством ГЛОНАСС/GPS
приемника, его режимами работы, с информационным интерфейсом прибора
и способами представления, визуализации навигационной информации,
поступающей от исследуемого приемника.
Данный научно-методический материал может быть также использован
для слушателей курсов повышения квалификации и переподготовки
специалистов, не имеющих навыков работы со спутниковой навигационной
аппаратурой и знаний в области спутниковой навигации.
Научно-методический материал содержит описание лаборатории
удаленного доступа, краткие теоретические сведения по спутниковой
навигации, описание программного комплекса, методические рекомендации и
задание к лабораторной работе.
2
1. Назначение
Лабораторная работа удаленного доступа «Исследование точности
определения координат ГЛОНАСС/GPS приемником в зависимости от
геометрии наблюдаемого созвездия НКА» предназначена для обучения
студентов старших курсов МГТУ им. Баумана и слушателей МИПК МГТУ
им. Баумана принципам функционирования навигационной аппаратуры
потребителя (НАП), получения навыков работы с ГЛОНАСС/GPS
приемником и ознакомления с информационным интерфейсом исследуемого
приемника.
Лабораторная работа выполнена с применением современных
информационных технологий в образовании – удаленный доступ через
глобальную сеть Интернет к реальному и уникальному оборудованию.
Принцип функционирования лабораторной работы удаленного доступа
проиллюстрирован на рисунке 1.
2. Структурная схема лабораторного стенда
НКА2
НКА3
НКА4
НКА1
1
Антенна
2
Малошумящий
усилитель
3
Удаленные пользователи
Источник
питания
4
Сплиттер
И Н Т Е Р Н Е Т
6
7
Приемник
ГНСС
5
Lab-сервер
Web-сервер
Рисунок 1 – Структурная схема
Лабораторная работа удаленного доступа представляет собой
аппаратно-программный комплекс. Аппаратная часть представлена в разделе
«Состав оборудования лабораторного стенда», а программный комплекс
3
описан в разделе «Описание программного комплекса». Принцип работы
лабораторного стенда приведен в следующем разделе.
3. Описание лабораторной установки
Приемная антенна (1) с малошумящим усилителем (2) установлены на
крыше здания учебного центра на высоте около 70 м для обеспечения приема
радиосигналов максимально возможного количества навигационных
космических аппаратов. По центральной жиле высокочастотного кабеля с
помощью сплиттера (4) от источника постоянного напряжения (3) подается
напряжение питания на усилитель с одновременной развязкой его с
радиочастотными сигналами навигационных космических аппаратов(НКА),
поступающими от усилителя в навигационную аппаратуру потребителя –
приемник глобальных навигационных спутниковых систем(ГНСС) (5).
Прием и обработку сигналов НКА осуществляет комбинированный 20ти канальный ГЛОНАСС/GPS приемник геодезического класса Topcon Javad
Half Eurocard GG, работающий в диапазоне L1 с поддержкой системы WAAS
(Wide Area Augmentation System - глобальная американская система
распространения дифференциальных поправок, разработанная для
повышения точности позиционирования и достоверности навигационных
данных системы GPS). Приемник ГНСС осуществляет вычисления
координат, вектора скорости, курса и времени (формирует секундную метку
времени - 1PPS) по сигналам спутниковых навигационных систем.
Соединение с управляющим компьютером (6) (Lab-сервером) осуществляется
по интерфейсу RS-232. Информационный обмен между приемным
устройством и Lab-сервером поддерживается по протоколам BINARY и
NMEA-0183. Первый используется для настройки режимов работы НАП, а
второй – для получения навигационных параметров. Обмен данными между
Lab-сервером и Web-сервером (7) происходит по сети Ethernet. В случае
программного объединения функций лабораторного сервера и сервера
удаленного подключения они могут быть реализованы на одном серверном
компьютере, например (6). Подключение терминалов удаленных
пользователей осуществляется по протоколу TCP/IP через сеть Интернет.
4. Состав оборудования лабораторного стенда
1 – микрополосковая антенна;
2 – малошумящий усилитель (МШУ);
3 – источник питания МШУ;
4 – сплиттер;
5 – приемник ГНСС (ГЛОНАСС/GPS);
6 – лабораторный сервер (Lab-сервер);
7 – Интернет сервер (Web-сервер)
4
1. Микрополосковая антенна
Диаграмма направленности ………………...полусфера
Поляризация …………………………………...круговая
Диапазон рабочих частот, МГц …………….1573-1613
Габариты (диаметр), мм ……………………………100
2. Малошумящий усилитель
Диапазон рабочих частот, МГц …………….1573-1612
Коэффициент усиления, дБ ………………………….30
Коэффициент шума, дБ ……………………………...2,5
Напряжение питания, В ……………………………….9
Ток потребления, мА …………………………………40
Габариты (д×ш×в), мм ……………………...120×60×45
3. Источник питания МШУ и приемника ГНСС Agilent E3632A
Выходное напряжение (при токе 7А), В ………...0 - 15
Выходное напряжение (при токе 4А), В ………...0 - 30
Пульсации и шумы (20Гц-20МГц), мВ не более …350
Шаг установки напряжение/ток …………….1мВ/1мА
Стабильность напряжения ……………… 0,02% + 1мВ
Стабильность тока ……………………….. 0,1% + 1мА
4. Сплиттер
Диапазон напряжения питания, В ……………….. 0-15
Ток потребления внешнего устройства, мА ……. <100
Вносимые потери на частоте сигналов НКА, дБ …. 0,5
5
5. Приемник ГНСС (ГЛОНАСС/GPS)
Используемые системы ГНСС ………ГЛОНАСС/GPS
Число каналов ………………………………………...20
Чувствительность приемника, дБВт ………………-161
Диапазон рабочих частот ……….L1 (ГЛОНАСС/GPS)
Точность навигационных определений:
- по фазе кода, см ……………………………………..10
- по фазе несущей, мм …………………………………1
Частота обновления данных, Гц …………………….20
Слежение за слабыми сигналом (с/ш менее 30 дБГц)
Поддержка формата NMEA 0183 версий 2.1, 2.2, 2.3 и
выход 3.0
Поддержка формата RTCM SC104 версий 2.1 and 2.2
вход/выход
Высокоскоростной порт RS232 …………………. 2 шт.
6. Лабораторный сервер
Процессор Pentium 4 ………………………...3000 МГц
Объем оперативной памяти, МБ ………………… 1024
Объем жесткого диска, ГБ ………………………….. 40
Количество СОМ-портов (RS-232) ….……………… 2
Видеоадаптер с аппаратной поддержкой OpenGL,
поддержкой режима 1280х1024х24(32)х85Гц и
видеопамятью 128 МБ
Разрешение монитора ………………………1280х1024
7. Интернет сервер
Процессор Intel «Core i5-760»...…………....2800 МГц
Объем оперативной памяти, МБ ……………….. 4096
Объем жесткого диска, ГБ ……………………….. 500
Видеоадаптер GeForce 9800GT с аппаратной
поддержкой
OpenGL,
поддержкой
режима
1280х1024х24(32)х85Гц и видеопамятью 1024 МБ
Разрешение монитора ………………………1280х1024
6
5. Описание программного комплекса
В состав программного комплекса лабораторной работы удаленного
доступа входят два специальных программных обеспечения (СПО):
- серверное СПО «ServerGNSS»,
- клиентское СПО «StudentGNSS».
Серверное СПО размещено на сервере лаборатории и предназначено
для работы в составе программно-аппаратного комплекса удаленного
управления навигационной аппаратурой потребителя,
обеспечивает
управление режимами работы навигационного приемника по заданным с
помощью СПО «StudentGNSS» параметрам, сбор и отправку навигационных
данных на терминал удаленного пользователя.
Рисунок 2 – Внешний вид интерфейса СПО «ServerGNSS»
«ServerGNSS» реализует следующие функции:
- передачу данных по сети от навигационного приемника на терминал
удаленного пользователя;
- прием и расшифровку команд от удаленного терминала;
- обеспечивает режим многопользовательской работы путем автоматической
постановки в очередь и запуска команд пользователей;
- получение навигационной информации от приемника через COM- порт;
- управление режимами работы навигационного приемника.
В состав ПО сервера входят следующие файлы:
 «ServerGNSS.exe» – рабочая программа сервера интернет-лаборатории;
 «clients.txt» – файл сетевой настройки;
 «port.txt» – файл настройки сетевого порта;
 «liters.txt» – файл со списком номеров НКА ГЛОНАСС и литерных
частот;
 «install.bat» – файл установки файла библиотеки «Mscomm32.ocx»;
 «Mscomm32.ocx» – файл библиотеки графической поддержки;
7
 «uninstall.bat»
«Mscomm32.ocx».
–
файл
деинсталляции
файла
библиотеки
Клиентское СПО «StudentGNSS» загружается с сервера лаборатории и
устанавливается на компьютер пользователя. Оно предназначено для
формирования команд управления режимами работы НАП в составе
лабораторного стенда, приема навигационных сообщений от приемника по
сети Ethernet, а также визуализации этих данных в графическом и текстовом
формате, с последующим сохранением в файл отчета.
9
1
2
3
4
5
6
7
8
Рисунок 3 – Внешний вид интерфейса СПО «StudentGNSS»
В главном окне ПО клиента отображается следующая информация:
1. Диаграмма наблюдаемых НКА.
2. Графическое представление текущих значений навигационновременных определений в геоцентрической или геодезической системах
координат.
3. Разброс значений НВО в плане (в плоскости).
4. Кнопка «СТАРТ/СТОП» эксперимента.
5. Окно управления составом НКА, участвующих в решении
навигационной задачи.
8
6. Информация о текущих значениях координат, скорости, даты и
времени, геометрического фактора.
7. Графическое отображение сигнал/шум в каналах приемника.
8. Информация о результатах статистического расчета.
Программное обеспечение клиента позволяет:
-управлять режимами работы навигационного приемника;
-работать по одной из систем ГЛОНАСС или GPS, а также в
совмещенном режиме;
-изменять количество НКА, используемых в решении навигационной
задачи и геометрию наблюдаемого созвездия;
-в реальном масштабе времени исследовать точностные характеристики
приемника при изменении числа наблюдаемых НКА, а также геометрии
наблюдаемого созвездия;
-формировать отчет по результатам полученных измерений;
-сохранять данные, полученные от навигационного приемника для
каждого эксперимента.
СПО клиента включает в себя три файла: исполнительный файл
программы и два файла конфигурации. Каждый файл выполняет следующие
функции:
- файл «StudentGNSS.exe» является рабочей программой управления
навигационным приемником и отображения принятых данных;
- файл «host.txt» предназначен для настройки сетевого подключения
ПО клиента к лабораторному серверу;
- файл «liters.txt» предназначен для работы ПО клиента в режиме
наблюдения НКА ГЛОНАСС.
Файл настройки сетевого подключения «host.txt» содержит
информацию об IP-адресе лабораторного сервера и порта доступа к нему.
Пример содержимого показан на рисунке 4.
IP-адрес
№ порта
Рисунок 4 – Пример содержимого файла настройки «host.txt»
Данные параметры подключения необходимо уточнять у преподавателя
(или системного администратора) и при необходимости скорректировать с
помощью стандартного текстового редактора.
В файле «liters.txt» содержится информация о номере НКА системы
9
ГЛОНАСС и его литерной частоте на основании данных ИАЦ ГЛОНАСС.
Содержимое файла приведено на рисунке 5.
Рисунок 5 – Перечень номеров НКА КНС ГЛОНАСС и литерных частот
Программное обеспечение клиента не требует специальной установки.
На рабочей станции клиента или компьютере удаленного пользователя
необходимо создать папку, где будет находиться программное обеспечение.
Например: D:\LABGNSS1\. Затем с сервера интернет-лаборатории скачать
требуемый zip-архив с файлами клиентского СПО, сохранив его в созданной
папке. Затем извлечь из архива все файлы в созданную папку. Программа
клиента готова к работе, для этого требуется запустить файл
«StudentGNSS.exe». При необходимости для нее можно создать ярлык на
«Рабочем столе» для удобного запуска программы.
10
6. Краткие теоретические сведения
Для решения задачи непрерывной глобальной всепогодной и
одномоментной навигации неограниченного количества потребителей
созданы ГНСС ГЛОНАСС (РФ) и GPS (США), в которых реализован метод
пассивных (беззапросных) псевдодальномерных и пседодоплеровских
измерений по сигналам нескольких НКА [1,2].
В штатном составе орбитальная группировка НКА обеих систем
включает 24 НКА, которые упорядоченно движутся по круговым
средневысотным орбитам (порядка 20 тыс. км) и синхронно излучают
навигационные радиосигналы.
Основным содержанием навигационной задачи является определение
пространственных координат потребителя, составляющих вектора его
скорости, а также текущего времени [3]. Поэтому в результате решения
навигационной задачи должен быть определен расширенный вектор
состояния потребителя П, который в инерциальной геоцентрической системе
координат OXYZ можно представить в виде П   x, y, z,Vx ,Vy ,Vz , t  , где x, y, z –
координаты потребителя; Vx, Vy, Vz – составляющие вектора скорости
потребителя; t – текущее время (в той или иной временной шкале).
Элементы вектора состояния П недоступны непосредственному
измерению с помощью радиосредств. У принятого радиосигнала могут
измеряться те или иные его параметры, например задержка или доплеровское
смещение несущей частоты. Измеряемый в интересах навигации параметр
радиосигнала называют радионавигационным (РНП), а соответствующий ему
геометрический параметр – навигационным (НП). Поэтому задержка
распространения сигнала  и доплеровское смещение частоты Fд являются
РНП, а соответствующие им дальность R от источника до приемника и
радиальная скорость сближения объектов Vr служат НП, связь между
которыми дается следующими соотношениями:
R  с ; Vr  Fд /  ,
где с – скорость света;  - длина волны излучаемого радиосигнала.
Геометрическое место точек пространства с одинаковым значением
навигационного параметра называют поверхностью положения [4].
Наиболее простой метод беззапросных навигационных определений –
дальномерный, который основан на измерениях дальности Ri между i-м НКА
и потребителем. Соответственно, навигационным параметром является
дальность Ri, а поверхностью положения — сфера радиуса Ri,
центр
которой расположен в центре масс i-го НКА. Уравнение этой сферы имеет
вид:
Ri  ( xci  x )2  ( yci  y )2  ( zci  z )2
,
(1)
где 1  i  n - номер НКА.
Здесь xci , yci , zci - известные на момент измерения координаты i-го НКА
(с учетом его перемещения за время распространения сигнала); x, y, z 11
координаты потребителя.
Координаты потребителя, x, y, z определяют как координаты точки
пересечения трех поверхностей положения (трех сфер). Поэтому для
реализации дальномерного метода необходимо измерить дальности до трех
НКА, т. е. i = 1...3 (см. рис. 6).
Рисунок 6 – Иллюстрация дальномерного метода измерения
Таким образом, для дальномерного метода навигационная функция
представляет собой систему из трех квадратных уравнений вида (1). Ввиду
нелинейности
такой
системы
уравнений
возникает
проблема
неоднозначности определения координат потребителя, устраняемая с
помощью известной потребителю дополнительной информации (априорные
координаты потребителя, его радиальная скорость и т. д.).
В (1) неявно подразумевается, что все входящие в это выражение
величины относятся к одному и тому же моменту времени. Однако
координаты НКА привязаны к бортовой шкале времени (БШВ), а
потребитель измеряет задержку сигнала и определяет свои координаты в
своей шкале времени (ШВ). Если БШВ НКА и ШВ потребителя идеально
синхронизированы, то проблем не возникает. При наличии расхождения  ï
шкал времени возникает смещение  R  ñ ï измеренной дальности
относительно истинной и точность определения местоположения
потребителя падает, поэтому недостатком метода является необходимость
очень точной привязки шкал времени НКА и потребителя.
Уменьшить влияние этого фактора можно, установив у потребителя
высокостабильный эталон времени (частоты) и периодически проводя его
калибровку по ШВ НКА. Однако применение в НАП дорогостоящих
высокостабильных эталонов времени экономически не оправдано, а проблема
создания относительно дешевых высокостабильных эталонов времени
(частоты) в настоящее время не решена. Поэтому в настоящее время более
широко применяют псевдодальномерный метод.
Под псевдодальностью от i-го НКА до потребителя понимают
измеренную дальность R?i этого НКА, отличающуюся от истинной дальности
Ri на неизвестную, но постоянную за время определения навигационных
параметров величину  R  ñ ï . Таким образом, для псевдодальности до i-го
12
НКА можно записать
R?i  ( xci - x)2  ( yci - y)2  ( zci - z)2  ctï ,
(2)
где  ï – смещение временной шкалы потребителя относительно
системного времени.
Рисунок 7 - Иллюстрация псевдодальномерного метода измерения
В псевдодальномерных методах в качестве навигационного параметра
выступает псевдодальность R?i . Поверхностью положения по-прежнему
является сфера с центром в точке центра масс НКА, но радиус этой сферы
отличается от истинной дальности R на неизвестную величину  R . Шкалы
времени НКА синхронизированы с высокой точностью, величина задержки
 R  ñ ï считается одинаковой для всех НКА (рис. 7).
Измерение псевдодальностей до трех НКА приводит к системе трех
уравнений, содержащих четыре неизвестных – координаты потребителя
x, y, z и задержку  R . Для устранения возникшей неопределенности
необходимо провести дополнительное измерение, т. е. измерить
псевдодальность до четвертого спутника. Именно необходимость нахождения
в зоне видимости четырех НКА в значительной степени определяет
структуру и параметры орбитальной группировки НКА.
Псевдодальномерный метод не накладывает жестких ограничений на
значение погрешности временной шкалы потребителя, поскольку позволяет
одновременно с определением местоположения вычислять вычислить эту
погрешность и, при необходимости, скорректировать ее.
Однако и формула (2) также является идеализированным выражением
для формируемого в НАП отсчета псевдодальности, т.к. не учитывает
расхождение БШВ отдельных НКА от ШВ системы, задержки радиосигнала
на трассе распространения, а также аппаратурные ошибки в приемном
устройстве. В самом общем виде формируемый навигационным приемником
отчет псевдодальности можно описать следующей моделью измерений:
S  R  R  c  (t  T  tò ðî ï  tèî í  tï ðì )     ,
13
(3)
где
S
R
R
t
T
t троп
t ион
t прм


с
- измерение псевдодальности;
- дальность от НКА до
приемника, X í êà , Z í êà , Yí êà - координаты НКА на момент
излучения, X ï , Z ï , Yï - координаты НАП на момент приема
сигнала;
- ошибка эфемеридного обеспечения;
- расхождение шкалы времени приемника с системной шкалой
времени;
- расхождение шкалы времени НКА с системной шкалой
времени;
- задержка сигнала в тропосфере;
- задержка сигнала в ионосфере;
- аппаратурная задержка сигнала в приемнике;
- ошибка, обусловленная приемом переотраженных сигналов
(многолучевостью);
- аппаратурная ошибка измерения;
- скорость света в вакууме.
 ( X í êà  X ï )2  (Yí êà  Yï )2  (Zí êà  Zï )2
Погрешности, возникающие на трассе распространения, в основном
обусловлены рефракцией сигналов в атмосфере (тропосфере и ионосфере)
Земли.
Ионосферная рефракция сигнала НКА, вызванная различиями
диэлектрической проницаемости слоев, расположенных на разных высотах, а
также локальными неоднородностями, изменяется в широких пределах в
зависимости от района Земли, где расположена НАП, времени суток, года,
солнечной и геомагнитной активности и т. д., и составляет 5...500 нс, что
эквивалентно ошибке измерения псевдодальности в 1,5 … 150 м.
Среднее значение этой погрешности для углов возвышения близких к
0
90 составляет в ночное время 5...10 нс и 30...50 нс – в дневное. При углах
возвышения порядка 150 эти величины возрастают в 2...3 раза. Таким
образом, учитывать эти погрешности необходимо только в случаях, когда
суммарная погрешность навигационных определений не должна превышать
5…10 м.
Поскольку ионосфера, в отличие от тропосферы, является
диспергирующей средой, то для оценки задержки сигнала в ней может быть
использован метод двухчастотных измерений, обеспечивающий остаточную
погрешность порядка 1…2 м. Именно поэтому НКА последних поколений
излучают навигационные сигналы в двух частотных диапазонах L1 (1,6 ГГц)
и L2 (1,25 ГГц). Кроме того, для определения и учета ионосферной
погрешности в НАП в настоящее время применяются метод моделирования
условий на трассе распространения сигналов НКА и метод избыточных
одночастотных измерений.
14
Основная составляющая тропосферной погрешности навигационных
определений в ГНСС обусловлена тропосферной рефракцией, связанной с
неоднородностями диэлектрической проницаемости. Дополнительная
задержка сигнала НКА в тропосфере может достигать 8...80 нс
(экспериментальные данные для ГНСС GPS), что может приводить к ошибке
измерения. Поскольку в диапазоне L1 величина задержки в тропосфере не
зависит от частоты (дисперсия сигнала отсутствует), измерить эту задержку с
помощью двухчастотного сигнала невозможно.
Значение тропосферной рефракции, пропорциональное длине пути
сигнала в тропосфере, максимально при малых углах возвышения НКА над
горизонтом. Поэтому для уменьшения атмосферных погрешностей в НАП
измерения производятся только тех НКА, угол возвышения которых
превышает некоторое значение ("угол маски"), устанавливаемое
потребителем. Обычно этот угол составляет 5...10°.
Многолучевость распространения сигналов НКА в точке расположения
антенны НАП имеет своей причиной их переотражение от земной и морской
поверхностей и близлежащих объектов. Уровень отраженного сигнала может
быть соизмеримым с прямым сигналом, а его задержка относительно прямого
сигнала для НКА, находящегося в зените, может составлять от единиц до
сотен мкс (при расположении НАП на борту самолета); при небольших углах
возвышения НКА это значение уменьшается на порядок. Многолучевость
приводит к существенным искажениям полезного сигнала и к погрешностям
в схемах слежения за задержкой, частотой и фазой.
С этой точки зрения в ГНСС предпочтительно использовать
модулирующие дальномерные псевдослучайные последовательности (ПСП) с
максимальной базой, например, Р(Y)-код GPS или ВТ-код ГЛОНАСС. Их
применение позволяет снизить погрешности из-за многолучевости в среднем
до 1...3 м (СКО). При использовании в условиях многолучевости более
узкополосных сигналов стандартной точности (С/А GPS или СТ ГЛОНАСС)
применяются специальные методы коррекции импульсной характеристики
коррелятора, позволяющие снизить вероятность захвата схемами слежения
пиков взаимной корреляционной функции, обусловленных приемом
отраженных сигналов.
Источниками аппаратурных ошибок измерения псевдодальности
являются в основном схемы слежения за задержкой огибающей и несущей
(ЧАП и ФАП) сигналов НКА. Среднеквадратическое отклонение (СКО)
шумовой погрешности типовой некогерентной схемы слежения за
огибающей описывается следующим выражением:
0,5
kП
k П П 
   э  1 ссз  2 ссз пч2  ,
(4)
P
/
N
P
/
N




c
0
c
0


где э - длительность элемента кода ПСП; k1 , k 2 - постоянные
коэффициенты, зависящие от выбранной схемы слежения; Пссз , П пч -
односторонняя ширина полосы замкнутой схемы слежения и тракта
15
промежуточной частоты соответственно; Рс / N 0 - отношение мощности
сигнала к спектральной плотности шума приведенная ко входу НАП.
За счет специальных мер можно снизить флуктуационную
составляющую ошибки измерения псевдодальности до 0,2 м для СТ-кода
ГЛОНАСС и до 0,1 м для С/А кода GPS.
При использовании в НАП шаге квантования, равном 1/64  э ,
соответствующие погрешности измеряемой дальности составляют 0,27 м для
P-кода и 2,66 м для C/A-кода GPS.
Динамическую составляющую дальномерной погрешности АП можно
1,12a 
оценить как  R д 
, где a - скорость изменения доплеровского
2
4 П ссз
сдвига частоты. Это соотношение справедливо для установившегося режима
схемы слежения второго порядка при квадратичном законе изменения
задержки сигнала. Типовые значения этой погрешности составляют порядка
1,2 мм для C/A-кода GPS.
Погрешности, связанные с функционированием бортовой аппаратуры
НКА и наземного комплекса управления (НКУ) ГНСС обусловлены в
основном
несовершенством
частотно-временного
и
эфемеридного
обеспечения.
Погрешности частотно-временного обеспечения возникают вследствие
несовершенства аппаратуры бортового эталона, а также процедур сверки
бортовой ШВ с системным эталоном. Они проявляются, например, в
смещении фаз излучаемых дальномерных кодов и меток времени, что
приводит к погрешностям измерения расстояния до спутника и расчета его
координат.
По результатам многолетних наблюдений СКО сдвига бортовой ШВ
через 2 часа после коррекции составляет примерно 9 нс, а через сутки после
коррекции он достигает 25,4 нс для цезиевых и 108 нс для рубидиевых
эталонов. На НКА ГЛОНАСС устанавливается цезиевый эталон, а на НКА
GPS – комбинированный цезиево-рубидиевый.
Погрешности эфемеридного обеспечения вызваны неточностью
расчета параметров орбит НКА в НКУ и непрогнозируемыми отклонениями
реальной орбиты НКА относительно экстраполированной. Составляющие
вектора этой погрешности: продольная, поперечная и радиальная - имеют
величины порядка 0,6...10 м . Эфемеридная компонента представляет собой
проекцию указанного вектора на линию визирования НКА. При этом
имеющие максимальную величину продольная и поперечная составляющие
входят в суммарную погрешность с коэффициентом, обычно не
превышающим 0,25, а радиальная составляющая, лежащая в пределах 0,6…2
м практически полностью входит в дальномерную погрешность. Для системы
GPS, по данным литературы, эфемеридная погрешность равна примерно 1 м
(СКО). Общий бюджет погрешностей измерения НП приведен в таблице 1.
16
Таблица 1 Бюджет погрешностей определения псевдодальности
 Д , м
 Д , м
Источник ошибки
ГЛОНАСС
GPS
Погрешность
частотно- 2
1.1
временного обеспечения
Задержка
сигнала
в 4
0.1
ионосфере
Задержка
сигнала
в 0.5
0.2
тропосфере
Многолучевость
2.5
0.2
Аппаратурные погрешности 1.5
0.1
приемного устройства
Прочие
2
0.8
5.7
1.4
Суммарная погрешность
В соответствии с (3) искомые нами координаты потребителя связаны с
НП нелинейной зависимостью. Одним из методов решения системы
уравнений вида (3) является линеаризация уравнения путем разложения
нелинейной части уравнения в ряд Тейлора с удержанием первых членов
разложения
f ( x )  f ( x0 ) 
df
x  x0 ( x  x0 )  ...
dx
(5)
Применяя (5) к (3) получим следующее выражение:
3
 2 S AmlV A0   2 RAmlV A0 расч   H AmlV A0k  xAkV A0   AmlV A0   AmlV A0 ,
(6)
k 1
Для оценивания 4-х неизвестных: r   x y z  и  необходимо
одновременно измерить псевдодальности по 4-м. При наличии более 4-х
измерений, т.е. их избыточности, точность оценивания неизвестных будет
расти. При решении навигационной задачи по сигналам двух систем
необходимо учитывать, что каждая ГНСС имеет собственную системную
ШВ, поэтому в число неизвестных будет также входить разность между
системными ШВ, а общее количество неизвестных возрастет до 5, как и
минимальное количество измерений.
Систему уравнений вида (6) можно в общем виде записать следующим
образом:
(7)
R j  R0j  h jT   r  r0 
где H – градиентная матрица размерностью N  4 . Строки матрицы
состоят из транспонированных векторов типа h j и величины Ñ (четвёртый
элемент строки).
В этом случае максимально правдоподобная оценка вектора g
T
17
выражается хорошо известной формулой [5]:
1
g?   HT2  B21  H 2   HT2  B21  v 2 .
(8)
Получаемая оценка содержит ошибку линеаризации дальности R j
относительно вектора r0 . Ошибка считается допустимой, если
N
 R?
j 1
j
 R0j
N  10 ì ,
(9)
где R̂ j – дальность относительно r̂ .
Иначе производится новый этап линеаризации относительно r̂ для
T
формирования новой оценки вектора rT  rT   .
Практика обработки измерений показывает, что обычно достаточно 4-х
последовательных этапов, чтобы получить оценку этого вектора, для которой
ошибкой линеаризации можно пренебречь.
Практика обработки измерений показывает, что обычно достаточно 4-х
последовательных этапов, чтобы получить оценку этого вектора, для которой
ошибкой линеаризации можно пренебречь.
Рисунок 8 – Хронология развития точности ГЛОНАСС
При
фиксированных
значениях
погрешностей
измерения
псевдодальностей существенное влияние на точность местоопределения
18
оказывает взаимное положение НАП и рабочих НКА, которое определяет
углы пересечения поверхностей положения. Минимальным погрешностям
местоопределения для дальномерных методов соответствует такое
расположение НКА, при котором в точке расположения АП поверхности
положения пересекаются под прямым углом (рис. 9). Однако выполнить это
условие при одновременном наблюдении более трех НКА невозможно.
Рисунок 9 – Влияние геометрии созвездия на точность НВО
Количественной характеристикой погрешности местоопределения,
связанной с особенностями пространственного положения НКА и АП,
служит т.н. геометрический фактор Ã или коэффициент геометрии. В
иностранной англоязычной литературе используется обозначение GDOP
(Geometrical delusion of precision – геометрический фактор ухудшения
точности).
Для того чтобы уточнить математический смысл понятия
геометрического фактора, запишем зависимость вектора  о погрешности,
определяемых с помощью (8) параметров g, от вектора  и погрешности
измеряемых НП
 î  g k  g k 1  Gk11Rk 1  G 1 è
(10)
С учетом (10) получим корреляционную матрицу ошибок
навигационных определений потребителя в виде
Kî  M

 G Kè  G
1
î
 mî
1

T

 î
 mî

 G K G 
T
T
è
T

1
,
(11)

где K и  M и  mи и  mи T
- корреляционная матрица
погрешностей измерения НП (псевдодальностей); mо , mи - соответственно
векторы математических ожиданий погрешностей о , и .
19
Рисунок 10 – Доступность решения задачи НВО в зависимости от
геометрического фактора
Примем равными нулю составляющие вектора mи . Тогда mо = 0 и


дисперсии определяемых параметров 2x ,2y ,2z ,2 , т.е. диагональные
члены матрицы K о , полностью определяют погрешности навигационного
сеанса. Анализ выражения (11) показывает, что соотношение погрешностей
определения вектора потребителя и измеряемых НП зависит только от вида
матрицы градиентов G , т.е. от геометрии взаимного положения НКА и НАП.
Как правило, Ã вводится для случая, когда погрешности измерения
НП, т.е. элементы матрицы K и , равновелики и некоррелированы. В этом
случае (11) можно представить в виде
1
1
(12)
Kî   GT KèT G    è2  GT G  .
Тогда выразив дисперсию сеанса навигационных определений через
след матрицы Kî .
 2   x2   y2   z2   2   tr  K î  ,
(13)
можно представить геометрический фактор в виде коэффициента
1
Ã  tr  GT G  


0,5
  x2   y2   z2   2 
0,5
/ è .
(14)
При выборе орбитальных параметров НКА на этапе разработки СРНС,
а также при выборе рабочего созвездия НКА в малоканальной аппаратуре Г
является основным критерием.
Иногда удобно рассматривать по отдельности значения геометрических
факторов, характеризующих точность определения различных компонент
20
вектора состояния. Соответствующий геометрический фактор для
пространственных координат обозначают Г П (в иностранной англоязычной
литературе используют обозначение PDOP – Position DOP), для плановых
(горизонтальных) координат - Г Г (англ. HDOP – Horizontal DOP), для высоты
(вертикальной составляющей) - Г В (англ. VDOP – Vertical DOP), для
временного параметра - Г .(англ. TDOP – Time DOP). Между этими
коэффициентами и суммарным геометрическим факторам существует
простая связь
Г 2  Г П2  Г2  Г Г2  Г В2  Г2 .
(15)
Показано, что минимальное значение Г П  1,5 достигается в случае,
когда потребитель находится в центре правильного тетраэдра.
Соответственно для наземного потребителя, с учетом кривизны земной
поверхности, минимальное значение Г  1,732 достигается тогда, когда один
НКА находится в зените, а три других равномерно расположены в
горизонтальной плоскости, т.е. когда объем тетраэдра максимален.
Однако такая геометрия рабочего созвездия, как уже говорилось, не
оптимальна с точки зрения атмосферных ошибок, поэтому при используемых
на практике углах возвышения (углах маски) более 100 минимальное значение
Г  2 .
Подсистема аппаратуры потребителя (АП) предназначена для приема
сигналов от НКА, измерения навигационных параметров, выделения
служебной информации (включающей эфемериды и временные поправки) и
решения задачи навигаци-онно-временных определений. По измеренным
относительно четырех (или более) НКА навигационным параметрам псевдодальности и радиальной псевдоскорости - определяются параметры
ВС потребителя: три пространственные координаты потребителя, три
составляющие его скорости и поправки к фазе и частоте его бортового
генератора. Укрупненная структурная схема АП может быть представлена в
виде, приведенном на рисунке 11.
21
Рисунок 11 – Укрупненная структурная схема АП
Как следует из схемы, современная АП содержит следующие основные
функциональные узлы.
1. Радиочастотный блок, обеспечивающий:
• прием сигналов НКА;
• их усиление и предварительную фильтрацию;
• аналого-цифровое преобразование сигналов на выходе приемника;
• формирование опорных, синхронизирующих и других сигналов.
2. Процессор первичной обработки, решающий следующие основные
задачи:
• оптимальную (согласованную) фильтрацию сигналов НКА, реализуемую с помощью многоканальной корреляционной обработки;
• поиск и обнаружение сигналов выбранного созвездия НКА;
• слежение за сигналами и измерения РНП;
• демодуляцию навигационного сообщения.
3. Навигационный процессор, обеспечивающий:
• декодирование навигационного сообщения;
• решение основной навигационно-временной задачи - определение
параметров ВС потребителя;
• управление режимами работы и параметрами как собственными, так и
других узлов АП;
• контроль качества НВО и работоспособности аппаратуры;
• выполнение различных сервисных функций, зависящих от назначения
22
аппаратуры и режима ее работы.
Кроме того, в состав АП могут входить вспомогательные устройства:
интерфейсные, управления и индикации, питания и др.
Приведенное выше разделение вычислительных средств АП на первичный и навигационный процессор отчасти является данью традиции и
используется в основном в методических целях. В настоящее время активно
ведутся разработки полностью программных навигационных приемников, в
которых все функции первичного и навигационного процессоров реализуются
в виде единого одноэтапного алгоритма.
Рассмотрим основные функции и принципы технической реализации
перечисленных элементов АП.
1. Радиочастотный блок
1.1. Антенна
Антенна АП решает две основные задачи:
- прием сигналов НКА (в идеале - всех радиовидимых в точке приема);
- режекцию помеховых сигналов, возникающих при многолучевом
распространении, а также помех от других источников.
Поскольку требования, предъявляемые к антенне с позиций наилучшего решения указанных задач, противоречат друг другу, на практике
используется следующий компромисс. ДН антенны формируется исходя из
того, что в рабочее созвездие целесообразно включать НКА, наблюдаемые
под углами места β ≥ 5°. Меньшие углы места (так называемые «углы маски»)
считаются нерабочими, предполагается, что именно под этими углами
находится большинство источников помех.
При этом коэффициент усиления антенны не должен зависеть от
азимута - он должен оставаться постоянным во всем диапазоне углов 0...360°.
Чаще всего в АП используют простые в изготовлении и недорогие
микрополосковые антенны, обладающие минимальными мас-согабаритными
параметрами. Такая антенна состоит из двух плоских проводников,
разделенных слоем диэлектрика. Нижний проводник заземлен (соединен с
«массой» АП), верхний является излучателем. Антенна рассчитывается для
работы на нижней резонансной моде, которая излучается, в основном, в
направлении вертикальной оси. Диаграмма направленности этой антенны
обеспечивает в верхней полусфере всенаправленный прием правой круговой
поляризации.
Кроме микрополосковых, в специальных видах АП нашли применение
спиральные, кольцевые, щелевые и другие виды антенн, в частности,
фазированные антенные решетки. В последнем случае навигационный
процессор осуществляет функцию управления положением ДН.
1.2. Приемное устройство
Приемники АП строятся исключительно по супергетеродинной схеме,
обычно с двухкратным преобразованием частоты. Первая промежуточная
частота выбирается равной 100.. .200 МГц, вторая -10...40 МГц. Полоса
23
пропускания тракта устройства преобразования частоты (УПЧ) выбирается с
учетом полной ширины спектра навигационного сигнала, которая для
ГЛОНАСС составляет 14 МГц. Сигналы всех НКА ГЛОНАСС усиливаются
общим трактом, задача частотного разделения сигналов решается не в
приемнике, а путем использования соответствующих опорных частот при
оптимальной фильтрации.
Сигнал с выхода приемника поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП), стандартное значение порога срабатывания младшего
разряда UAm « 0,1 . .0,5 В; примем UAm = 0,25 В.
Из курса статистической радиотехники известно, что оптимальное
значение порога квантования гауссовского шума близко к значению его
среднего квадратического отклонения с11Т, поэтому при-мем сш = UAm=
0,25 В. Полагая, что мощность внутреннего шума, равная -131 дБВт,
рассеивается на нагрузке 50 Ом, нетрудно подсчитать, что для выполнения
последнего равенства необходим коэффициент усиления приемника порядка
100 дБ.
1.3. Аналого-цифровой преобразователь
Радиосигнал с выхода приемника поступает на вход АЦП, где
подвергается дискретизации по времени и квантованию по уровню. Для
сигнала ГЛОНАСС, ширина спектра которого (по первым нулям крайних
сигналов) составляет 14 МГц, в соответствии с теоремой Котельникова для
полосовых сигналов, минимальная частота дискретизации fд = 14 МГц. На
практике fд обычно выбирают несколько большей - порядка 40 МГц (это
значение примерно соответствует минимальной частоте дискретизации
сигнала, модулированного Р-кодом GPS).
Для квантования по уровню в стандартной АП обычно используют
одноуровневый (однобитный) или трехуровневый (двухбитный) АЦП. В
однобитном АЦП на выходе фиксируется лишь знак входного радиосигнала.
В двухбитном АЦП используются три пороговых уровня - нулевой и
расположенные симметрично относительно него уровни L и -L, величина
которых, как уже говорилось, выбирается из условия |L| ≈ σш.
1.4. Опорный генератор и синтезатор частот
Опорный генератор вырабатывает сигнал, задающий шкалу времени
АП. Из этого сигнала формируется сетка опорных частот, необходимых для
работы различных узлов АП. Требования к стабильности опорного
генератора в последние годы значительно ужесточились. Если в конце 1990-х
годов удовлетворительной считалась относительная нестабильность частоты
порядка 10-7, которая обеспечивается обычным кварцевым генератором с
несложной схемой термостабилизации, то в настоящее время для ряда
приложений
(АП
высокодинамичных
объектов,
интегрированных
инерциально-спут-никовых систем навигации и т. п.) требуется
кратковременная относительная нестабильность порядка 10-9 и ниже, что
достигается применением генераторов со сложными системами частотной и
24
фазовой автоподстройки и, естественно, приводит к удорожанию аппаратуры.
(Количественной характеристикой кратковременной от носительной
нестабильности опорного генератора является дисперсия вторых приращений
фазы; эта величина называется вариацией Алана) [2].
Следует иметь в виду, что при детальном исследовании влияния
опорного генератора на правильную работу следящих систем АП приходится
учитывать не только относительную нестабильность частоты, но и более
детальную характеристику - спектральную плотность фазовых шумов. Для
современных стабилизированных опорных генераторов эта величина на
частоте 1 Гц составляет -50...-80 дБ/Гц, на частоте 10 Гц -70...-125 дБ/Гц, на
частоте 100 Гц -100...-140 дБ/Гц.
Синтезатор частот на основе выбранного для данной АП частотного
плана формирует из сигнала опорного генератора сетку частот, используемых
для синхронизации и тактирования различных элементов программноаппаратного комплекса АП. Поскольку эта сетка формируется путем
умножения и деления частоты генератора на целые числа (коэффициенты),
необходимо учитывать происходящее при этом преобразование фазовых
шумов. При разработке частотного плана необходимо также учитывать
требования к подавлению комбинационных помех, внешних помех, воздействующих по зеркальному и другим каналам, а также другие факторы.
2. Процессор первичной обработки.
Устройства поиска и обнаружения сигнала
Важнейшей операцией, выполняемой при поиске и обнаружении
сигнала, является его оптимальная (согласованная) фильтрация. В АП эта
операция традиционно выполняется с помощью корреляционной обработки,
поэтому базовым элементом устройства поиска и обнаружения сигнала
является многоканальный коррелятор. В зависимости от того, какие сигналы
поступают на входы коррелятора, может быть реализована как когерентная,
так и некогерентная обработка.
Упрощенная схема некогерентного устройства поиска сигнала НКА
приведена на рис. 12. Сигнал с выхода устройства преобразования частоты
(УПЧ) поступает на квадратурный коррелятор, состоящий из двух каналов Q
и I, каждый из которых включает в себя умножитель и накапливающий
сумматор со сбросом. Время накопления в сумматоре Гн чаще всего
выбирается кратным периоду Гпсп.
25
Рисунок 12 – Упрощенная схема устройства поиска сигнала
3. Навигационный процессор.
Вторичная обработка сигнала.
Основной целью этапа вторичной обработки является решение задачи
НВО, т. е. определение вектора состояния потребителя. Исходными для
решения этой задачи являются полученные на первом этапе оценки РНП псевдозадержки тп и пседодоплеровского смещения скорости Fa, называемые
первичными,
или
«сырыми»,
измерениями.
С
использованием
соответствующих навигационных функций и данных НИ по «сырым»
измерениям рассчитываются оценки НП, на основании которых и решается
навигационная задача.
Обратим внимание, что первичные измерения есть результат наблюдения на ограниченном интервале времени в присутствии шумов, т. е. они
являются случайными величинами. Поэтому решение навигационной задачи
возможно только статистическими методами.
Наиболее простым решением этой задачи является так называемый
одношаговый алгоритм [2], основанный на независимой обработке
совокупностей первичных измерений, получаемых в каждый момент
времени.
26
Рисунок 13 – Структурная схема некогерентного одноэтапного
алгоритма НВО
Рисунок 14 – Структурная схема когерентного одноэтапного алгоритма НВО
27
7. Лабораторная работа
Цель: исследовать влияние геометрии рабочего созвездия НКА на
точность навигационно-временных определений серийного образца НАП
геодезического класса «Topcon Javad Half Eurocard GG.
Методика измерений
При выполнении лабораторной работы необходимо экспериментально
оценить зависимость точности навигационных определений от геометрии
рабочего созвездия НКА. Данные исследования осуществляются с помощью
комплекса программно-аппаратных средств НОМ. Краткое описание
лабораторного стенда, состав и технические характеристики оборудования
представлены в разделе «Описание лабораторной установки».
Перед выполнением лабораторных работ необходимо ознакомиться с
кратким теоретическим материалом и выполнить контрольный тест на
допуск к работе. Сеансы проведения лабораторных работ заказываются на
сервере лаборатории в установленном порядке.
После успешного освоения теоретического материала и получения
допуска к работе необходимо выполнить установку ПО клиента
«StudentGNSS».
Описание функциональных зон ПО клиента
Панель инструментов
Панель инструментов (9) позволяет формировать и сохранять отчет по
выполненным работам, просматривать поступающую от приемника
навигационную информацию в текстовом формате NMEA-0183 и сохранять
ее в log-файлы. Внешний вид панели инструментов приведен на рисунке 15.
Рисунок 15 – Панель инструментов
Назначения пунктов меню панели инструментов представлены в
таблице 2.
Таблица 2 – Функции меню панели инструментов
Наименование
Функции, выполняемые в данном
пункта
пункте
меню
«File»
Открытие
лог-файла,
запись
эксперимента
в
лог-файл.
Выход
из
программы.
28
«Проверить связь с
сервером»
«Информация от
приемника»
«Отчет»
Выполняется проверка установки связи с
лабораторным сервером
Сохранение полученной от приемника
ГНСС навигационной информации в текстовом
формате NMEA-0183
Просмотр результатов выполненных
экспериментов. Формирования отчета по
выбранным экспериментам. Сохранение отчета
в виде набора текстовой и графической
информации.
Отображение НКА
В функциональной зоне (1) «Видимые НКА» отображаются
наблюдаемые на небесной полусфере в текущий момент времени созвездия
НКА навигационных систем ГЛОНАСС и GPS. На рисунке 16 условно
показывается расположение каждого НКА по азимуту и углу места. Внешняя
граница (окружность) с указанными сторонами света («N» - «север», «E» «восток», «S» - «юг», «W» - «запад») представляет собой линию горизонта
(угол места 0º), внутренняя окружность соответствует углу места 60º.
Рисунок 16 – Наблюдаемые НКА
Номера навигационных спутников ГЛОНАСС отображаются в буквеноцифровом виде, например «Г21», и окрашены в зеленый цвет, а номера НКА
GPS отображаются виде, например «G22», и окрашены в черный цвет.
Информация о текущем положении спутника поступает от приемника в
текстовом формате NMEA-0183 в предложении «GSV».
Сигнал/шум
В данной области (7) рабочего окна ПО клиента отображается параметр
«отношение сигнал/шум НКА» для каждого наблюдаемого в текущий момент
времени навигационного спутника.
29
Рисунок 17 – Отношение сигнал/шум в каналах приемника
Рабочее значение сигнал/шум лежит в пределах 35 … 50 дБГц, а
минимальное значение, при котором НКА используется в решении
навигационной задачи, составляет 30 дБГц. Цепи слежения приемника за
навигационным спутником начинает работать при уровне сигнала 25 … 28
дБГц.
Координаты
Текущие значения вычисленных приемником координат в
геодезической системе, модуль скорости, навигационные время и дата, а
также составляющие геометрического фактора отображаются (см. рисунок
18) в функциональной зоне (6).
Рисунок 18 – Координаты приемника
Модуль скорости всегда будет отличен от нулевого значения, поскольку
режим фильтрации координат в приемнике отключен в методических целях.
Широта по умолчанию отображается для северного полушария (приемник
находится на территории России), а долгота для восточной части. На примере
рисунка 7 координаты следует интерпретировать следующим образом:
«5545.948263» означает 55° 45.948263´ северной широты, «03741.12801»
означает 37° 41.12801´ восточной долготы.
В центральной части (2) рабочего окна ПО клиента отображаются в
виде графиков изменения координат во времени (см. рисунок 19). В верхней
части представлена зависимость геодезических координат от номера
полученного отсчета (оценки) от навигационного приемника, в нижней части
– зависимость геоцентрических координат от номера полученной оценки от
навигационного приемника.
30
Рисунок 19 – Изменение координат во времени
Для удобства и компактности отображения результатов решения
навигационной задачи изменение во времени каждой составляющей
координаты выводится в соответствующей вкладке.
В следующей части (3) рабочего окна выводится в графическом виде
ошибка определения приемником координат в плане (в плоскости): в верхней
части – ошибка определения местоположения в плоскости «широта-долгота»,
в нижней части – ошибка определения местоположения в плоскости «X, Y» в
м.
Рисунок 20 – Ошибка НВО
Таким образом, пользователю дается представление о случайном
характере процесса определения координат и точности навигационных
определений приемника ГНСС.
Статистическая обработка
Результаты статистической обработки отображаются в функциональной
зоне (8) после завершения каждого эксперимента. В момент прихода
31
последнего запрошенного отсчета навигационных данных с приемника
программой клиента рассчитываются следующие точностные характеристики
приемника:
- математические ожидания (МО) координат в геодезической системе;
- средние квадратичные отклонения (СКО) по геодезическим
координатам;
- математические ожидания в геоцентрической системе координат;
- средние квадратичные отклонения в геоцентрической системе
координат.
Рисунок 21 – Результаты статистической обработки
Данная информация предназначена для ознакомления пользователя с
параметрами точности определения координат навигационным приемником,
а при проведении согласно предлагаемой методике серии экспериментов с
реализацией
различных
сценариев
наблюдения
созвездий
НКА
ГЛОНАСС/GPS дается представления о факторах, влияющих на точность
решения навигационной задачи.
Порядок формирования задания
Формирование задания на эксперимент заключается в выборе НКА для
решения навигационной задачи по заданному в методических указаниях
сценарию. Выбор спутников определяется оценкой текущей наблюдаемой
группировки и методикой проведения эксперимента, т.е. для каждого
сценария эксперимента формируется, таким образом, определенное
наблюдаемое созвездие (например, квазиоптиамальное, «городской каньон» и
т.п.). Сигналы от спутников, не участвующих в решении навигационной
задачи,
продолжают
обрабатываться
приемником,
термин
«включить/исключить НКА» означает лишь использование в решении НЗ или
исключение из него НКА.
32
Рисунок 22 Меню выбора НКА
Установить размер выборки для ПО клиента в количестве 20 отсчетов.
Нажать кнопку «СТАРТ» (см. рисунок 23)
2
1
Рисунок 23 Запуск эксперимента
Порядок формирования отчета
1. Зафиксировать результаты эксперимента в графический файл
(изображение главного окна клиентского ПО в момент получения последнего
отсчета данных от навигационного приемника), создать который можно с
33
помощью функции «Print Screen», с последующим редактированием и
сохранением в графическом редакторе, например, «Paint» при использовании
операционной системы типа Microsoft Windows 2000/XP. На рисунке 24
показан вид окна ПО клиента в момент завершения опыта.
Рисунок 24 Вид окна ПО клиента в момент окончания опыта
2. Сохранить результаты эксперимента в папку «Reports» с помощью
команды «Отчет» (см. рисунок 25), для этого необходимо выбрать номер
эксперимента (формируется при каждом запуске программы клиента), нажать
пункт «Сохранить», присвоить имя сохраняемым данным и выбрать паку.
Рисунок 25 – Сохранение отчета
3. Для ознакомления с интерфейсом и возможностями ПО клиента
выполните запуск программы для максимального размера выборки 100
34
отсчетов. Для этого необходимо выбрать все НКА группировок
ГЛОНАСС/GPS в поле (5) «Спутники», установить в поле (4) размер выборки
100 и нажать кнопку «СТАРТ». После этого программой будет выполнено
подключение по сети Ethernet к навигационному приемнику лабораторного
стенда. Статус подключения можно наблюдать в правой части поля (4), он
должен изменяться следующим образом: «попытка подключения»,
«установка соединения», «настройка режима», «соединение установлено».
Во время эксперимента необходимо наблюдать за расположением НКА
на небесной полусфере по схематичному изображению в поле (1), а также за
отношением сигнал/шум по каждому спутнику в поле (7). Сопоставьте
уровень сигнала с углом места для каждого НКА, ориентируясь на
концентрические окружности (внешняя окружность с указанными сторонами
света – линия горизонта (угол возвышения 0˚), внутренняя окружность – угол
возвышения 60˚). Для НКА с большим углом возвышения (от 35˚…40˚)
отношение сигнал/шум будет составлять порядка 38 дБГц и выше, а для НКА
с меньшими углами возвышения, особенно близких к линии горизонта,
отношение сигнал/шум может составить 28…35 дБГц.
Также необходимо качественно оценить изменение координат во
времени (по мере поступления отсчетов) в поле (2) и ошибку определения
местоположения в поле (3) в зависимости от значений составляющих
геометрического фактора (HDOP, VDOP и PDOP – горизонтальной,
вертикальной и пространственной соответственно) в поле (6).
Для отчета во время эксперимента необходимо зафиксировать
изображение главного окна клиентского ПО в графический файл с
расширением «*.bmp» или «*.jpg», получить который можно с помощью
функции «Print Screen» с последующим редактированием и сохранением в
графическом редакторе, например, «Paint» при использовании операционной
системы типа Microsoft Windows 2000/XP.
По окончании эксперимента результаты статистического расчета будут
отображены в поле (8). Полученные данные расчета также необходимо
сопоставить со значениями составляющих геометрического фактора (HDOP,
VDOP и PDOP).
После завершения эксперимента полученные результаты необходимо
сохранить в папку «Reports» с помощью команды «Отчет», а затем выбрать
номер эксперимента (формируется при каждом запуске программы клиента),
нажать пункт «Сохранить», присвоить имя сохраняемым данным и выбрать
паку.
Рис. 26 – Сохранение отчета
35
Данные, полученные от навигационного приемника в формате NMEA0183, рекомендуется сохранять в текстовый файл с расширением «*.log»
через меню основного окна клиентского ПО «Информация от приемника», а
затем в появившемся окне данных выбрать «Сохранить как».
Рис. 27 – Сохранение информации от приемника
Дополнительно после каждого опыта необходимо создавать
графический файл (изображение главного окна клиентского ПО в момент
получения последнего отсчета данных от навигационного приемника),
получить который можно с помощью функции «Print Screen», с последующим
редактированием и сохранением в графическом редакторе, например, «Paint»
при использовании операционной системы типа Microsoft Windows 2000/XP.
При выполнении лабораторной работы в каждом эксперименте
необходимо фиксировать в отчет графическую и текстовую информацию,
отображаемую в полях (1), (5) – (8).
Лабораторное задание
1) Измерить точность НВО при наблюдении полных группировок НКА
ГЛОНАСС/GPS.
2) В зависимости от текущего состояния наблюдаемых группировок
НКА на момент проведения лабораторной работы выбрать тип ГНСС
(ГЛОНАСС или GPS).
3) Измерить точность НВО при наблюдении квазиоптимального
созвездия для 5-ти НКА ГЛОНАСС/GPS.
4) Измерить точность НВО при наблюдении созвездия «городской
каньон» для 5-ти НКА ГЛОНАСС/GPS.
5) Измерить точность НВО при наблюдении созвездия из 5-ти НКА
ГЛОНАСС/GPS с низким углом возвышения (5º … 35º).
6) Измерить точность НВО при наблюдении созвездия из 5-ти НКА
ГЛОНАСС/GPS с высоким углом возвышения (45º … 90º).
Порядок выполнения работы
1) Проанализируйте состав текущего рабочего созвездия в
соответствующем окне программы – в отчете по лабораторной работе должна
присутствовать запись о количестве НКА и их принадлежности к той или
иной ГНСС. Исходя из полученных результатов, необходимо перевести
навигационный приемник в режим работы по одной из систем и
ограниченного созвездия.
2) Выбрать 5 НКА таким образом, чтобы геометрическое расположение
соответствовало квазиоптимальному (см. рисунок 28).
36
Рисунок 28 – Квазиоптимальное созвездие
3) Зафиксировать значение геометрического фактора для данного
созвездия и оценку дисперсии для выборки навигационных определений
длительностью 100 секунд.
4) Выбрать 5 НКА таким образом, чтобы геометрическое расположение
соответствовало созвездию «городской каьон» (см. рисунок
29).
Зафиксировать значение геометрического фактора для данного созвездия и
оценку дисперсии для выборки навигационных определений длительностью
100 секунд.
Рисунок 29 – Созвездие «городской каньон»
5) Выбрать 5 НКА таким образом, чтобы их геометрическое
расположение было вблизи линии горизонта (см. рисунок
30). Угол
возвышения НКА должен быть в пределах 5º … 35º. Зафиксировать значение
геометрического фактора для данного созвездия и оценку дисперсии для
выборки навигационных определений длительностью 100 секунд.
37
Рисунок 30 – Группировка с низкими углами возвышения НКА
6) Выбрать 5 НКА таким образом, чтобы их геометрическое
расположение было вблизи зенита. Угол возвышения НКА должен быть в
пределах 45º … 90º. Зафиксировать значение геометрического фактора для
данного созвездия и оценку дисперсии для выборки навигационных
определений длительностью 100 секунд.
По окончании работы сохранить полученные результаты в отчет с
помощью команды меню клиентского ПО «Отчет» - «Сохранить, как…»
38
Пример результатов.
Наблюдение квазиоптимального созвездия НКА GPS.
Рисунок 31 - Начало эксперимента с квазиоптимальным созвездием
Рисунок 32 – Вывод решения задачи НВО по квазиоптимальному
созвездию
Сравнив рисунки 31 и 32, мы видим, что в ходе выполнения
39
эксперимента НКА 18 пропал из поля зрения измерительной аппаратуры, но
поскольку количество НКА было задано с запасом, приемник все равно смог
провести расчет координат с минимальными отклонениями.
Созвездие типа «городской каньон».
Рисунок 33 - Начало исследования «городского каньона»
Рисунок 34 – Вывод решения по «городскому каньону»
В ходе эксперимента с созвездием НКА типа «городской каньон»
40
наблюдается более чем двукратное увеличение геометрического фактора по
сравнению с квазиоптимальным созвездием, что приводит к увеличению
разброса значений измеренных координат в 2- 3 раза.
Созвездие НКА с низкими углами возвышения.
Рисунок 35 – Начало эксперимента с низким расположением НКА
Рисунок 36 – Вывод решения по «низкому созвездию»
41
В этом случае геометрический фактор меньше, чем в «городском
каньоне», но значительно больше, чем при квазиоптимальном созвездии,
поэтому и СКО координат на соответствующем уровне.
42