3. Методы НВО, используемые в ГНСС, страница 2

В разделе 2 были описаны дифференциальный и интегральный методы определения координат потребителя, основанные на измерении доплеровского сдвига несущей частоты сигнала НКА. Было отмечено, что основным недостатком обоих методов является необходимость наблюдения НКА в течение интервала времени, за которое радиальная составляющая скорости движения НКА относительно потребителя заметным образом изменится. В ГНСС этот недостаток особенно ощутим, поскольку из-за большой высоты орбиты НКА градиент радиальной скорости на поверхности Земли мал, поэтому время, необходимое для достоверной оценки приращения доплеровского сдвига оказывается неприемлемо большим. Поэтому в ГНСС доплеровские методы применяются только для определения составляющих скорости потребителя, а для получения информации о координатах используется один из описанных выше вариантов дальномерных методов.

3.2.1 Радиально-скоростной метод

Метод основан на измерении трех радиальных скоростей v_ri = перемещения потребителя относительно трех НКА. Физической основой этого метода является зависимость радиальной скорости точки относительно НКА от координат и вектора скорости НКА. Дифференцируя уравнение (3.1) по времени, получаем

(3.3)

Здесь компоненты характеризуют вектор относительной скорости; R_i — дальность до i-го НКА.

Из соотношения (3.3) следует, что для определения вектора скорости потребителя необходимо для трех НКА (i = 1, 2, 3) знать:

• компоненты вектора координат НКА

• компоненты вектора их скорости

• координаты потребителя

Координаты НКА и их производные известны из эфемеридной информации. Для получения информации о координатах , как было сказано, используется один из описанных выше вариантов дальномерных методов, чаще всего – псевдодальномерный.

Важно отметить, что радиально-скоростной метод, так же, как и дальномерный, предполагает наличие в АП высокостабильного опорного генератора, поскольку любая нестабильность частоты этого генератора приводит к неконтролируемому изменению доплеровского смещения частоты, а, следовательно, к дополнительным ошибкам измерения составляющих скорости потребителя. Поэтому на практике применяются модификации этого метода, описанные ниже.

3.2.2 Псевдорадиально - скоростной метод.

Псевдорадиально - скоростной (псевдодоплеровский) метод позволяет определять вектор скорости потребителя в присутствии неизвестного смещения частоты сигнала, обусловленного, например, нестабильностью опорного генератора АП. При наличии такого смещения выражение для радиальной скорости можно представить в виде двух слагаемых:

(3.5)

- где - поправка к скорости, обусловленная сдвигом измеренной доплеровской частоты сигнала относительно истинной.

Так же, как и в псевдодальномерном методе, считается, что эта поправка на интервале измерения неизменна и одинакова для всех НКА.

Вектор скорости и поправка определяется путем измерения по четырем НКА и решения системы четырех уравнений вида (3.5), для чего необходимо знать дальности и координаты потребителя. Как уже говорилось, эта информация может быть получена из псевдодальномерных измерений (3.2).

3.2.3 Разностный радиально- скоростной метод.

Подходы, лежащие в основе данного метода полностью аналогичны рассмотренным в п. 3.1.3. Предполагается, что неизвестное смещение одинаково для всех НКА. При этом для трехмерных измерений необходимо определить радиальные скорости относительно четырех НКА и вычислить три независимые разности , а затем решить относительно величин систему из трех независимых вида

(3.6)

Поскольку разности не зависят от смещения , для их расчета могут использоваться и величины псевдорадиальной скорости .

Так же, как и для дальномерных методов, точность определения составляющих вектора скорости в разностном радиально-скоростном методе совпадает с точностью определения тех же составляющих в псевдорадиально -скоростном методе.

Достоинством разностного радиально-скоростного метода является его нечувствительность к нестабильностям эталонов и другим неконтролируемым смещениям частоты, а его недостатком – невозможность непосредственной оценки величины нестабильности ШВП.

3.3. Другие методы НВО в ГНСС

Рассмотренные выше методы получения оценок ВС потребителя на основе одномоментных измерений соответствующих РНП ориентированы, прежде всего, на НВО высокодинамичных объектов. Условием их применения является возможность одновременного наблюдения необходимого числа НКА (в большинстве случаев – не менее четырех). Однако в определенных ситуациях возникает необходимость НВО при ограниченном (менее четырех НКА) составе рабочего созвездия, при этом перемещение потребителя за время измерения допустимо считать пренебрежимо малым. В таких случаях, возможна замена одновременных измерения по четырем НКА на два последовательных измерения по двум НКА или на четыре последовательных измерений по одному НКА, которые затем, с учетом высокой стабильности БСУ, могут быть приведены к одному моменту времени.

Еще один аспект расширения возможностей и повышения качества НВО связан с использованием имеющейся в распоряжении потребителя информации, полученной от других источников.

Так, при наличии у потребителя измерителя высоты h можно вместо измерений четырех псевдодальностей ограничиться измерением трех псевдодальностей, при этом навигационная функция будет включать три уравнения вида (3.1), а четвертое уравнение составляется по результатам измерения высотомера: где R_з — радиус Земли

Комплексирование спутниковой радионавигационной аппаратуры с датчиками информации, использующими другие физические принципы, является одним из перспективных направлений развития средств навигации. В настоящее время большое внимание уделяется навигационной аппаратуре, построенной по принципу комплексирования аппаратуры спутниковой и инерциальной навигации.

Как уже говорилось (см. раздел 1), до появления ГНСС наиболее совершенными средствами навигации и определения пространственной ориентации мобильных объектов самых различных классов — от самолетов до подводных лодок — являлись гироскопические и инерциальные навигационные системы (ИНС). Ряд несомненных достоинств таких систем, в частности, их автономность (независимость искусственных полей, см. раздел 1.3), определяет целесообразность их дальнейшего развития и применения совместно с АП ГНСС. При этом достигается не только резервирование источников информации; не менее важно, что комплексирование АП ГНСС и ИНС позволяет значительно уменьшить итоговую погрешность измерений, поскольку физическая природа и корреляционные свойства погрешностей для этих систем существенно различаются.

Действительно, погрешности ИНС в основном связаны с внешними магнитными и гравитационными возмущениями, механическими характеристиками чувствительного элемента, потерями на трение и т. д. Как следствие, высокочастотная составляющая этих погрешностей невелика по сравнению с соответствующими погрешностями ГНСС. Однако инфранизкочастотная составляющих погрешностей ИНС (дрейф) с увеличением времени наблюдения нарастает, что обусловлено самим принципом измерений, основанном на двукратном интегрировании ускорения. Постоянная ошибка ускорения при этом преобразуется в нарастающую ошибку скорости, приводит к необходимости систематической юстировки (переустановки) системы.

Напротив, погрешности НВО ГНСС характеризуются относительно более высоким уровнем высокочастотного шума, однако этот шум имеет нулевое среднее и эффект накопления низкочастотной составляющей погрешностей в АП ГНСС практически отсутствует.

Таким образом, совместная обработка результатов измерений ИНС и АП ГНСС позволяет реализовать высокоточную «бездрейфовую» систему навигации и пространственной ориентации объектов, в которой мгновенная погрешность почти полностью определяется ИНС, а долговременная — АП ГНСС. Такая инерциально-спутниковая навигационная система (ИСНС) обладает рядом существенных достоинств по сравнению с ИНС и ГНСС по отдельности: высокой точностью определения координат, компонент вектора скорости, угловой ориентации и угловой скорости; непрерывностью навигационных определений; повышенным темпом выдачи данных; повышенной надежностью. Отметим, что комплексирование ИНС с АП ГНСС позволяет существенно снизить требования к долговременной погрешности ИНС, следовательно, и ее стоимость, которая в значительной степени определяется именно величиной дрейфа.

В зависимости от организации алгоритмов совместной фильтрации измерений ИНС и ГНСС выделяют следующие схемы комплексирования [2]: глубокоинтегрированную (deep integrated), тесносвязанную (tightly coupled), слабосвязанную (loosely coupled) и разомкнутую (uncoupled).

Сравнительные достоинства и недостатки перечисленных схем ИСНС приведены в таблице.

Таблица