Определение параметров пространственной ориентации объекта одновременно по сигналам нескольких ГНСС

Санкт-Петербургский политехнический университет Петра ВеликогоИнститут физики, нанотехнологий и телекоммуникацийКафедра «Радиотехнические и телекоммуникационные системы»Работа допущена к защитеЗав. кафедрой РТСМакаров С.Б.«____»_______________ 2016г.ВЫПУСКНАЯ РАБОТА БАКАЛАВРАТема:Определениепараметровпространственнойориентацииобъектаодновременно по сигналам нескольких ГНСС.Направление: 11.03.01 РадиотехникаВыполнил студент гр. 43427/4(подпись)С.В. БоронинРуководитель, асс.(подпись)Е.А.

ЩербининаСанкт - Петербург20162РефератРабота содержит 36 страниц, 25 рисунков, 13 библиографических названий.Ключевые слова: ПРОСТРАНСТВЕННАЯ ОРИЕНТАЦИЯ, ГЛОБАЛЬНЫЕНАВИГАЦИОННЫЕЭТАЛОННЫЕСПУТНИКОВЫЕРАЗНОСТИФАЗ,СИСТЕМЫ,ФАЗОВЫЕR-ФУНКЦИЯ,НЕОДНОЗНАЧНОСТИ,НОРМАЛЬНЫЕ ОШИБКИ, АНОМАЛЬНЫЕ ОШИБКИ.Объектом исследования являются глобальные навигационные спутниковыесистемы(ГНСС),сигналыкоторыхиспользуютсядлярешениязадачиопределения пространственной ориентации.Цельюпараметровисследованияявляетсяпространственнойповышениеориентацииприточностиопределенияиспользованиисигналовнескольких ГНСС на основе максимизации R-функции. Для достижения этой целив работе применяются различные алгоритмы выбора рабочего созвездиянавигационных космических аппаратов (НКА).Проведенное исследование позволило выявить критерии оптимальноговыбора НКА из созвездия всех видимых НКА, а также подтвердилоэффективность применения нескольких ГНСС для определения ориентациинавигационного объекта.Задание на выпускную квалификационную работу выполнено в полномобъеме.3ОГЛАВЛЕНИЕВведение...........................................................................................................................41 Обзор существующих методов определения пространственной ориентации посигналам нескольких ГНСС...........................................................................................61.1 Методы определения пространственной ориентации………………………..…61.2 Алгоритмы, использующие несколько ГНСС………………………………….121.3 Цели и задачи…………………………………………….……………………….142 Моделирование алгоритма определения пространственной ориентации ……..152.1 Общие сведения о модели………………………………………………………152.2 Реализация взаимодействия с навигационным приемником………………….162.3 Моделирование R-функции……………………………………………………..183 Результаты моделирования……………………………………………………….233.1 Оценка точности определения пространственных координат………………..233.2 Способы повышения точности определения пространственных координат присовместном использовании нескольких ГНСС…………………………………..…26Заключение…………………………………………………………………………….32Список литературы…………………………………………………………………....33Приложение 1…………………………………………………………………………354ВведениеОпределение ориентации объекта в пространстве, а именно углов курса α,тангажа β и крена, представляет собой проблему, касающуюся различныхтехнических областей.

Предлагаемые решения должны обладать способностьюустранять неоднозначности ориентации и иметь высокую точность. Такиесистемы применяются в авиации, геодезии, строительстве, на водном транспортеи железной дороге, а так же для любых других категорий подвижных объектов.Системы определения пространственной ориентации бывают автономные инеавтономные.

К автономным можно отнести системы, использующие гироскопы,акселерометры и другие датчики. Такие устройства требуют регулярнойкорректировки. Кроме того, их использование может быть затруднительным наобъектах с низкой грузоподъемностью. В качестве неавтономных можновыделить системы, определяющие ориентацию по сигналам глобальныхнавигационных спутниковых систем (ГНСС). Высокая точность, надежность,низкое энергопотребление, а также компактность и легкость требуемогооборудованияделаютиспользованиенавигационныхсистемболеепредпочтительным.Среди методов определения пространственной ориентации навигационногообъекта (НО), использующих сигналы ГНСС, наибольшую точность имеютфазометрические методы.

Выделяют методы оценки углов по максимумуправдоподобия (МП) [1], на основе эталонных разностей фаз (ЭРФ) [2]. Такжевозможно совместное использование МП с ЭРФ [3].Существует и другой подход к определению ориентации, основанный нарешении пеленгационных задач. Пространственная ориентация объекта считаетсяизвестной, и с учетом этого находится направление на источник излучения. Впеленгации для этого часто применяется метод максимума пространственноймощности (МПМ).

При определении пространственной ориентации наоборот,известным является положение источника сигнала относительно объекта. Вработе [4] на основе МПМ была выведена функция R, по максимуму которой5можно определить направление на источник излучения. Учитывая, что указанныезадачи являются обратными, R-функция может использоваться и при определениипространственной ориентации. Максимизация этой функции может такжеосуществляться с использованием ЭРФ. В работе [5] показано, что совместноеиспользование МП и ЭРФ проигрывает в точности методу максимизации Rфункции с применением ЭРФ.Увеличение числа используемых спутников приводит к повышениюточности определения углов ориентации. При этом в рассмотренных работах небыло исследовано использование сигналов нескольких ГНСС для определенияпространственной ориентации на основе R-функции. Также в [3,4,6] непроводился выбор рабочего созвездия спутников, участвующих при решенииданной задачи, из всего созвездия видимых спутников.

Таким образом,представляет особый интерес исследование возможных путей повышенияточностиопределенияпараметровпространственнойориентациисиспользованием сигналов от нескольких ГНСС на основе максимизации Rфункции.61 Обзор существующих методов определения пространственной ориентациипо сигналам нескольких ГНСС1.1 Методы определения пространственной ориентацииЗадача определения пространственных координат по сигналам ГНССобычно рассматривается в следующей постановке. Пусть с объектом жесткосвязаналокальнаясистемакоординат(ЛСК)Ox0y0z0,осикоторойрассматриваются как строительные оси объекта [7].Рассмотрим топоцентрическую систему координат (ТЦСК) Oxтyтzт, началокоторой совпадает с началом ЛСК.

Оси ТЦСК сохраняют свою ориентациюотносительно Земли во время движения объекта. Положение ЛСК относительноТЦСК определяется при помощи углов курса α, тангажа β и крена . На Рисунке1.1 в качестве навигационного объекта (НО) представлен беспилотныйлетательный аппарат (БПЛА).Рисунок 1.1Определениепространственнойориентацииобъектапофазовымизмерениям сигналов ГНСС обеспечивает высокую точность, в связи с этимобладает большой популярностью в настоящее время.

Методы, использующиефазовые измерения, основываются на интерферометрическом принципе. Суть егозаключается в измерении разности фаз несущей частоты для сигналов,7принимаемых антенными элементами от навигационных космических аппаратов(НКА). В этих разностях, обусловленных неодинаковым расстоянием до НКА,содержится информация о значении угла между направлением на спутники ивектором, образованным антенными элементами. Направление на i-ый НКА вГЦСК определяется во время навигационного сеанса по координатам НО,представленного в виде материальной точки, и координатам фазового центраантенны i-го НКА. С использованием данных об углах между направлениями нанесколько НКА и двумя и более антенными элементами с известным ихрасположением относительно объекта удается решить задачу ориентации.Обратим внимание, что однозначно определить ориентацию НО посигналам одного НКА невозможно.

Вращение ЛСК относительно линии ОО1(Рисунок 1.2) не нарушает целостности решения, но лишает возможностиоднозначно определить углы α, β и γ. Поэтому для решения задачипространственной ориентации необходимо использовать не менее двух НКА.Рисунок 1.2Рассмотримподробнеепринципработыфазометрическогометода.Несколько разнесенных на некоторое расстояние (базу) ненаправленных илислабонаправленных антенных элементов А0 и А1 принимают сигналы от НКА(Рисунок 1.3). Так как расстояние между НО и НКА много больше длины базы,сигнал можно представить в виде плоской волны.8Рисунок 1.3Измерительное устройство оценивает разность хода сигнала до антенныхэлементов (1).α(1)где ∆φ – фазовый сдвиг, λ – длина волны сигнала, В – длина базы, α – угол междувектором-базой и вектором направлением на НКА. Далее на основе фазовогосдвига определяются направляющие косинусы линии ОО1 в ЛСК.

Присопоставлении направляющих косинусов, полученных в ГЦСК и ЛСК можноопределить углы α, β и γ.Так как интервал однозначного определения фазы сигнала равен (-π, π),измеренная разность фаз будет однозначной только при длине базы Вλ/2.Длины волн сигналов ГНСС GPS, GLONASS и Galileo приведены в Таблице 1.1.Длина волнысигнала λ , cмGPS19,03GLONASS (частотноеразделение каналов)18,76 – 18,67Galileo19,03Таблица 1.1При этом максимальная длина базы, удовлетворяющая указанному условию,составляет менее 10 см, что существенно понижает чувствительность системы кизменению угла и, следовательно, уменьшает точность.

Поэтому длины баз частовыбираются равными нескольким длинам волн.9Учитывая наличие фазовой неоднозначности, при приеме сигнала от i-гоНКА формула (1) записывается следующим образом:α =,где Mi – параметр фазовой неоднозначности (число длин волн, умещающихся вR). В литературе описаны следующие методы устранения неоднозначностей.Например LAMBDA-метод (Least-squares AMBiguity Decorrelation Adjustment),С-LAMBDA(Constrained-LAMBDA),MC-LAMBDA(multivariate-constrainedLAMBDA), основанные на использовании ограничительных функций и стратегийExpansion (расширения), Search (поиска) и Shrink (сокращения) [6].Задача определения параметров пространственной ориентации можетрассматриваться как статистическая оценка углов , β и . При этом, в частности,используется оценка углов по максимуму правдоподобия (МП), обеспечивающаяминимум дисперсии оценки. В условиях аддитивного гауссовского шума, егоиспользование сводится к минимизации значения суммы показателя экспонентыфункции правдоподобия [1]:где– разность хода сигналов i-го НКА;– направляющие косинусылинии визирования на i-ый НКА; x, y, z – координаты вектора базы,взаимооднозначно определяющие искомые углы;величинысводится– дисперсия случайной; L – число наблюдаемых НКА.