Диссертация (Высокоточное местоопределение в глобальных навигационных спутниковых системах в абсолютном режиме за счет разрешения неоднозначности псевдофазовых измерений), страница 12

Как видно, в модели (2.8) отсутствуетвозможностьиспользования целочисленной природы неоднозначности псевдофазовыхизмерений, т.к. целочисленная неоднозначность λ 3G N 3G, j (выраженная в метрах) вбирает в себяjнемоделируемые кодовые и фазовые смещения, формируя действительную величину A P3(2.7).По этой причине использование в рамках традиционной модели измерений (2.8) разрешенияцелочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений невозможно.

Для краткости записидалее традиционная ионосферосвободная модель измерений GPS (2.8) обозначается как P3L3.542.4 Основные этапы алгоритма определения координат потребителяУкрупненная блок-схема стандартного алгоритма высокоточного местоопределения врежиме Float PPP приведена на рис. 2.1. Все указанные на рис. 2.1 блоки операцийвыполняются на каждый момент измерений. В последующих подразделах каждый из блоковданной блок-схемы описан более подробно.Рис. 2.1.

Укрупненная блок-схема стандартного алгоритма высокоточного местоопределенияпотребителя (Float PPP)2.4.1Анализ и отбраковка измеренийНа начальном этапе работы алгоритма на текущую эпоху (момент) измеренийпроизводитсячтение/распаковка/загрузкаизмеренийнавигационныхспутников.Вприложениях высокоточного местоопределения в режиме постобработки для храненияизмерений, как правило, используется формат данных RINEX (Receiver Independent ExchangeFormat).

Версия 3.01 данного формата поддерживает измерения навигационных системГЛОНАСС, GPS, Galileo, Compass (Beidou), а также данные систем SBAS. При реализации вГНСС высокоточного местоопределения в режиме реального времени (либо близком креальному времени – в режиме так называемого квазиреального времени) для передачиизмерений навигационных спутников могут использоваться форматы RTCM (Radio TechnicalCommission for Maritime Services) и NMEA (National Marine Electronics Association).55Далее проводится анализ доступных измерений и отбраковка некоторых спутников изобработки. Причиной для отбраковки спутника может послужить аномальное значениеизмерения, отсутствие каких-либо измерений по данному спутнику либо низкое значениеотношения сигнал/шум. Например, спутник может быть исключѐн из обработки в случае, еслидля него доступны измерения только в одном диапазоне частот (в режиме Float PPP в модели(2.8) используются ионосферосвободные линейные комбинации измерений на исходныхчастотах).2.4.2Обнаружение скачков и разрывов измерений псевдофазыНа данном этапе реализуется процедура обнаружения скачков и разрывов псевдофазовыхизмерений.

Скачки и разрывы в измерениях псевдофазы возникают при срыве слежения зафазами несущих колебаний спутниковых сигналов в приѐмнике. Указанные срывы могутвозникать в случае появления резких затенений сигналов некоторых спутников, при высокоймноголучѐвости, при высокой динамике навигационного приѐмника в случае подвижногопотребителя, в ситуациях значительного ослабления спутниковых сигналов (под листвойдеревьев) или из-за сбоя в программном обеспечении навигационного приѐмника. Срывыслежения приводят к появлению целочисленных скачков или разрывов в измеренияхпсевдофазы(рис.2.2).Этискачкипоявляютсявследствиевозможногоизмененияцелочисленной неоднозначности N j модели измерения псевдофазы (2.2), т.е.

значение N j досрыва слежения и после повторного вхождения в синхронизм петли слежения за фазойнесущего колебания в приѐмнике может отличаться на неопределѐнное целое число длин волн.Рис. 2.2. Измерение псевдофазы при наличии срыва слеженияЗадача обнаружения разрывов в измерениях псевдофазы является статистической задачей.Для определения факта наличия разрывов в измерениях псевдофазы, как правило, в течениеопределѐнного интервала времени анализируются такие линейные комбинации измерений,56которые как можно более чувствительны к разрывам измерений, но при этом как можно менеечувствительныкмешающимфакторам(кчислумешающихфакторовотносятсясистематические смещения в измерениях - ионосферная задержка сигнала тропосфернаязадержка сигнала, смещения показаний часов спутников и приѐмника и др.) [82, 83].

Далееприводятся наиболее известные линейные комбинации измерений, широко используемые взадачахвысокоточногоместоопределениядляобнаруженияразрывовпсевдофазовыхизмерений.1. Кодово-фазовая безгеометрическая комбинацияДанная комбинация вычисляется согласно выражению [82, 83]PLjGF,i  Pij  Lji ,(2.9)где Pi j и Lji - кодовые и псевдофазовые измерения j-го спутника на некоторой частоте f i (i –номер частотного диапазона).

Для модели измерений на исходных частотах системы GPS (2.4)комбинация (2.9) может быть записана какjPLG,GF,1 P1G, j  LG,1 j j,Gj,Gb Gr, P1  b Gr, L1  b P1 b L1 2I1j  λ 1G N1G, j  ε GP  ε GL ,jPLG,GF,2 P2G, j  LG,2 j (2.10)j,Gj,GjGGb Gr, P2  b Gr, L2  b P2 b L2 2k G I1j  λ G2 N G,2  εP  εL2.

Кодовая и фазовая безгеометрические комбинацииДанные комбинация вычисляется согласно выражениям [82, 83]jPGF,1,2 P1j  P2j ,(2.11)LjGF,1,2  Lj1  Lj2Для модели измерений на исходных частотах системы GPS (2.4) комбинации (2.11) могут бытьзаписаны какG, jPGF,1,2 P1G, j  P2G, j j,Gj,Gb Gr, P1  b Gr, P2  b P1 b P2 I1j 1  k G ,G, jGF,1,2LLG, j1LG, j2j,Gj,Gjb Gr, L1  b Gr, L2  b L1 b L2 I1j k G  1  λ1G N1G, j  λ G2 N G,2(2.12)573. Комбинация Мельбурна-ВуббенаДанная комбинация вычисляется согласно выражению (A.5) [82, 83]A 41,2 G, j11f1G LG,1 j  f 2G LG,2 j  Gf1G P1G, j  f 2G P2G, j Gf  f2f1  f 2GG1bGr, A4bj,GA4λ NG4G, j1NG, j2 εGA4(2.13),jгде N1G, j  NG,- значение неоднозначности на разностной шкале (wide-lane ambiguity) в метрах2 Gj,G(значения аппаратурных смещений b r, A4 в приѐмнике и b A4в спутниках, а также шумовойкомпоненты ε GA4 описаны в Приложении A).Приведѐнные линейные комбинации измерений в процессе обнаружения разрывовизмерений псевдофазы анализируются последовательно (на первом этапе – безгеометрические,на втором –комбинация Мельбурна-Вуббена).

Поэтапное использованиеуказанныхкомбинаций позволяет определить наличие разрыва в измерениях псевдофазы не только наодной из частот, но и на двух частотах одновременно. Более подробно обнаружение разрывов визмерениях псевдофазы описано, например, в [83].2.4.3Вычисление основных параметров навигационных спутниковПосле получения доступных измерений навигационных спутников и отбраковки частиизмеренийосуществляетсячтение\распаковка\загрузкавысокоточнойЭВИ.Далееосуществляется вычисление координат спутников и смещений показаний спутниковых часов намоменты предшествия эпохам измерений (такие моменты, которые отстоят от эпохи измеренийна время распространения сигнала от спутников до приѐмника потребителя), а такжепроизводится учѐт эффекта вращения Земли (в англоязычной литературе эффект называетсяSagnac effect).

С этой целью, как правило, используются алгоритмы интерполяции данныхвысокоточной ЭВИ. Далее на моменты предшествия для всех спутников в обработкерассчитываются геометрические дальности, углы возвышения, направляющие косинусы(коэффициенты информационной матрицы связи оцениваемых параметров с измерениями дляпоправок к грубым координатам потребителя).После описанных вычислений, как правило, реализуется процедура отбраковки спутниковс углами возвышения менее 10-15 градусов (применяется, так называемая, маска по углувозвышения). Это связано с тем, что шумы измерений обратно пропорциональны углувозвышения, т.е. наиболее грубые измерения исключаются из обработки.582.4.4Вычисление и компенсация систематических смещений в измеренияхпсевдодальностей и псевдофазОдним из основных условий достижения высокой точности местоопределения в ГНСС вабсолютном режиме является тщательная компенсация ряд систематических смещений висходных измерениях псевдодальностей и псевдофаз.

К данным систематическим смещениямотносятся таковые, порождаемые разрывами псевдофазовых измерений (подраздел 2.4.2),релятивистскими и гравитационными эффектами (подраздел 2.5.5), взаимной ориентациейантенн спутника и приемника (подраздел 2.5.4), искажениями в ионосфере (подраздел 2.5.1) итропосфере (подраздел 2.5.2), вращением Земли, смещениями и вариациями фазовых центровантенн спутников и приемников (подраздел 2.5.3), твердотельными, полярными, океаническимии атмосферными приливами (подраздел 2.5.6) (полный набор смещений отражѐн вматематических моделях измерений псевдодальностей и псевдофаз в разделе 2.1). Большаячасть приведѐнных смещений игнорируется при работе в стандартном автономном режимеместоопределения, но для режимов PPP учѐт указанных смещений является обязательным.

Наданном этапе осуществляется вычисление и компенсация указанных систематическихсмещений в измерениях по всем спутникам в обработке.Геофизические эффекты, вызывающие указанные выше смещения, а также способы ихкомпенсации при высокоточном местоопределении в ГНСС в абсолютном режиме подробнеерассмотрены в разделе 2.5.Фильтрационная процедура оценивания2.4.5Непосредственное определение поправок к грубым координатам потребителя на практике,как правило, осуществляется путѐм вычисления максимально правдоподобной оценки вектораоцениваемых параметров в фильтре Калмана.

Процедура оценивания при этом распадается напроцедуру прогноза ипроцедуру вычисления текущей оценки в соответствии с хорошоизвестными формулами калмановской фильтрации [12].В данной работе при стандартном режиме местоопределения (Float PPP) используетсяковариационная форма фильтра Калмана [84].

Вектор оцениваемых параметров включаетследующие величины:X 5Msat 1  Δx Δy Δz ΔD WdT GA P3T,(2.14)где:A P3  A1P3A 2P3  A MsatP3-вектордействительныхсоответствующих традиционной модели измерений GPS (2.8),Msat - число спутников в обработке.неоднозначностей(2.7),59В фильтре Калмана используется следующая линейная модель прогноза:~ˆ ε ,X i 1  A i Xii(2.15)где:i – индекс, обозначающий номер временного шага фильтрации;~ – символ, используемый для обозначения величин, прогнозируемых на следующий шагфильтрации;^ – символ, используемый для обозначения величин, оцененных на каждом шаге фильтрации;ε i – случайный вектор ошибок прогноза с нулевым математическим ожиданием иковариационной матрицей Q i ,A i - матрица прогноза;и следующая линейная модель измерений:z i  H i X i  Ξi ,(2.16)где:H i - информационная матрица связи вектора оцениваемых параметров X (2.14) и вектораизмерений z i ;Ξi – случайный вектор ошибок измерений с нулевым математическим ожиданием иковариационной матрицей R i ;z i – вектор измерений, полученных на i-м временном шаге фильтрации и вычисляемый длятрадиционной модели измерений (2.8) как P G  R COARSE  dt G  ε P3 zi   G 3,GL 3  R COARSE  dt  A P3  ε L3 (2.17)где: L,TP3G  P3G,1P3G,2  P3G,Msat ,LG3LG,2 LG,3Msat3G,13R COARSE  R 1CTR C2  R CMsatdt G  dt G,1 dt G,2  dt G,Msat,,TTε P3 и ε L3 - вектора размерности Msat 1 , все значения которых равны ε P3 и ε L3 ,соответственно.60При записи традиционной модели измерений (2.6) в виде линейной модели измеренийP3L3 (2.8) осуществляется линеаризация уравнений модели (2.6) для всех спутников вобработке.