Автореферат (Повышение точности местоопределения приемника сигналов ГНСС при изменении режима работы)

На правах рукописиУДК 621.396.933:527.8НИКИТИН Дмитрий ПавловичПовышение точности местоопределения приемника сигналовГНСС при изменении режима работыСпециальность 05.12.14 - «Радиолокация и радионавигация»АВТОРЕФЕРАТДиссертации на соискание ученой степеникандидата технических наукМосква, 2012Работа выполнена на кафедре 402 «Радиосистемы управления и передачи информации»Московского авиационного института (национального исследовательского университета).кандидат технических наук, доцентНаучный руководитель:Вейцель Андрей Владимировичдоктор технических наук, профессорОфициальные оппоненты:Миронов Михаил Аркадьевич, Военный учебнонаучный центр ВВС «Военно-воздушная академияимени Н.

Е. Жуковского и Ю. А. Гагарина», старшийнаучный сотрудник.кандидат технических наукАверин Сергей Владиславович,ООО ТопконПозишионинг Системс, начальник математическойгруппы.ОАО «Российские космические системы».Ведущая организация:Защита диссертации состоится «»2012 г. на заседании диссертационногосовета Д 212.125.03 при Московском авиационном институте (национальном исследовательскомуниверситете) по адресу: 125993, г. Москва, А-80, ГСП, Волоколамское шоссе д. 4.С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке Московского авиационного института(национального исследовательского университета).Дата рассылки автореферата:«» июня 2012 г.Ученый секретарьдиссертационного совета Д 212.125.03к.т.н., доц.Сычёв М.И.ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫРабота посвящена исследованию методов повышения точности определения координатпотребителя с применением приемников сигналов глобальных навигационных спутниковыхсистем (ГНСС) при возникновении ситуаций изменения режима работы приемника и,соответственно, точности определения позиции приемника.

Рассматриваются методы оценкинаправления движения объекта по измерениям одиночного навигационного приемника с однойантенной при движении на малых скоростях.Актуальность темыС расширением сферы ГНСС, ужесточаются и требования к точности, устойчивости,надежности, накладываемые на оцениваемые навигационным приемником пространственновременные параметры. Для получения навигационных определений разной точности, приемникнастраивают для работы в заданном режиме местоопределения. Режим определения координатодиночного приемника по собственным измерениям псевдодальности в литературе называютрежимом абсолютной (автономной) навигации.

Режим определения координат подвижногоприемника относительно координат базового приемника по измерениям псевдодальностиназывают режимом кодовой дифференциальной навигации, а по фазовым измерениям режимомфазовой дифференциальной навигации. В работе рассмотрено функционирование навигационногоприемника в данных режимах местоопределения.Для решения конкретных задач пользователю необходимо выбрать режим работынавигационного приемника, обеспечивающий требуемые характеристики точности и надежностиопределяемых параметров. Однако, в реальных условиях навигационная аппаратура потребителя(НАП) часто не способна на все время выполнения целевой задачи функционировать вдифференциальном режиме местоопределения.

Это обусловлено влиянием внешней средыраспространения сигнала, пропаданием сигнала от базовой станции, затенением большогоколичества навигационных космических аппаратов (НКА), аномальными ошибками и другимифакторами. В таких условиях навигационный приемник может переключаться, например, изрежима фазовой дифференциальной навигации (ДН) в абсолютный режим или в режим кодовойДН, что приводит к получению навигационного решения с более низкими точностнымихарактеристиками. Далее в работе режим фазовой ДН будем называть высокоточным режимомместоопределения, а режим абсолютной навигации – грубым режимом местоопределения.

В своюочередь оценки координат, полученные при решении навигационной задачи в любом режимеместоопределения, до введения дополнительной обработки будем называть первичными оценкамикоординат. Переключение режима работы навигационного приемника наряду с изменениемрабочего созвездия НКА или с возникновением аномальных измерений неразрывно связано с3резким изменением точности оценок координат приемника, что недопустимо для рядаприложений. При автоматическом управлении сельскохозяйственной и строительной техникойрезкое случайное изменение режима местоопределения может привести к выходу из строяуправляемого механизма.

Возникновение таких ситуаций, как правило, не позволяет продолжатьрешениецелевойзадачипользователядажеприучастииоператоравуправленииавтоматизированным транспортным средством. Внезапное пропадание высокоточного решениянаряду с появлением аномальных ошибок или с резким ухудшением условий внешней средыявляется нештатной ситуацией, преодоление которой является одной из актуальных задачповышения точности определяемых пространственных параметров.Впроцессерешенияширокогокругазадачавтоматическогоуправлениясельскохозяйственными машинами, а также управления системами орошения и удобрения,важным оцениваемым параметром является направление движения сельскохозяйственноготранспортного средства в азимутальной плоскости.

В таких системах направление движенияоценивается с использованием измерений вектора скорости одиночного навигационногоприемника с одной антенной. Метод определения направления движения транспортного средства(ТС) с использованием проекций вектора скорости навигационного приемника в ряде случаев,например, при малых скоростях движения или при резком торможении и остановке ТС,обеспечивает недостаточную точность. При уменьшении амплитуды вектора становитсяпрактически невозможно оценивать аргумент данного вектора.

В то же время, дляавтоматического управления движущимися ТС, необходимо знание данного параметра. ПоэтомузадачаопределениянаправлениядвиженияТСсзаданнойточностьюприрешениивышеуказанных задач является актуальной.Точность определяемых навигационными приемниками пространственных параметров,зависит как от режима его работы, так и от метода обработки измерений. Эта зависимостьпроявляется, когда происходит изменение режима работы навигационного приемника. Появлениевысокоточного режима работы повысит точность местоопределения, но резкое изменение оценкипозиции может вывести управляющий техническим средством механизм из строя. Дляпредотвращения такой ситуации применяются сглаживающие алгоритмы, что уменьшаетсреднюю точность.

Возникает противоречие требований к точности навигационного решения итребований к отсутствию резких выбросов в оценке позиции потребителя, которое приводит кзадаче поиска навигационного решения по нескольким критериям (критерию точности и критериюгладкости). Разработка количественной меры для оценки навигационного решения по критериюгладкости, которую можно было бы наряду с традиционными мерами точности использовать длявыбора наиболее подходящего алгоритма обработки и режима работы, является актуальнойзадачей.4В целом, решение вышеперечисленных задач является важным направлением исследований,так как оно позволит повысить точность определения пространственных параметров привозникновении нештатных ситуаций (пропадание высокоточного и появление грубого решения),возникающих в процессе решения навигационных задач для широкого круга приложений ГНСС.Научная проблемаНа точность определяемых навигационным приемником пространственных параметров(собственных координат, составляющих вектора скорости и т.д.) большое влияние оказываютусловия внешней среды.

При временном ухудшении этих условий принимаются специальныемеры, позволяющие продолжать определение координат для решения целевой задачи, но снекоторой потерей точности. С этой целью изменяется режим работы навигационного приемникаили адаптируются параметры обработки. Такие меры повышают надежность обработкинавигационных измерений. Обработка навигационных измерений в хороших условиях описана втеории, имеются рекомендации для синтеза алгоритмов и проектирования систем при некоторыхдопущениях. Решения, полезные в нештатных ситуациях мало исследованы и практически незатронуты общей теорией оптимизации.В работе исследуется функционирование приемника сигналов ГНСС в нештатныхситуациях, и разрабатываются обоснованные рекомендации для проектирования навигационныхприемников повышенной надежности.Цель диссертационной работыЦелью диссертационной работы является разработка и исследование методов обработкинавигационных измерений (НИ), обеспечивающих повышение точности пространственныхпараметров, определяемых навигационным приемником, при работе в сложных условиях(затенение большого количества НКА, возмущения в атмосферном слое, возникновениемножественных отраженных сигналов) или при возникновении нештатных ситуаций (пропаданиесигнала от базовой станции, случайная смена режима работы навигационного приемника, сильныевнешние радиопомехи и т.д.).

Исходя из цели работы, основными задачами исследованийявляются: анализ существующих методов обработки оценок координат навигационного приемника,полученных при навигационных измерениях, направленных на повышение точности этихоценок (например, применение сглаживающих алгоритмов); исследование методов обработки НИ, обеспечивающих решение целевой задачи припропадании на коротком интервале времени (несколько минут) навигационных определений,полученных с помощью высокоточного режима работы приемника;5 разработка метода, позволяющего продолжать оценку направления движения с заданнойточностью при уменьшении значения модуля скорости поступательного движения водиночном навигационном приемнике с одной антенной; проведение с помощью имитационного моделирования и натурных экспериментов анализаметодов сглаживания оценок координат навигационного приемника по точностномукритерию и критерию гладкости при работе навигационного приемника в условияхслучайной смены режимов местоопределения.Новизна работы заключается в следующем: проведено исследование существующих алгоритмов и методов сглаживания оценоккоординат навигационного приемника при возникновении нештатных ситуаций и случайнойсмене режимов работы навигационного приемника в процессе решения навигационнойзадачи; предложен метод обработки измерений, предусматривающий адаптацию сглаживающегофильтра в угломерном канале так, чтобы уменьшение модуля скорости поступательногодвижения в горизонтальной плоскости при движении объекта не приводило к срыву угловыхизмерений; показано, что мерой гладкости могут служить статистические оценки первой производной повремени от ошибки координатных измерений; разработана модель ошибок координат навигационного приемника в режимах абсолютной идифференциальной навигации с учетом возможной случайной смены режимов работынавигационного приемника, которая позволяет реализовать программы для имитационногомоделирования и обосновать методику экспериментов для проверки эффективностипредложенных методов.Положения, выносимые на защиту1.

Применение модифицированного фильтра Калмана при поступлении на него для совместнойобработки первичных оценок координат и фазовых приращений координат, имеющих разнуюточность, позволяет обеспечить повышение точности оценок координат при случайномизменении режима работы навигационного приемника в условиях произвольной динамикидвижения.2. Метод адаптации параметров сглаживающего фильтра в канале угла для определениянаправления движения объекта, включающий сужение полосы в зависимости от измеренногомодуля вектора скорости и расширение полосы при обнаружении маневра по углу, позволяетопределятьнаправлениедвиженияв горизонтальной6плоскостиприусловии, чтосреднеквадратическое отклонение (СКО) ошибки измерения не превысит величины 0,6градусов.3.