Определение параметров пространственной ориентации объекта одновременно по сигналам нескольких ГНСС (1142014), страница 2
Текст из файла (страница 2)
Минимизация этой функциикрешениюинтерферометра (2) [1].избыточнойсистемыуравненийоднобазового10Зная координаты вектора-базы при нулевых углах поворота и координаты,полученные в результате решения системы, можно определить пространственнуюориентацию НО.Для разрешения фазовой неоднозначности в однобазовом интерферометреиспользуется переборный метод, который работает следующим образом. Вначалепо тому или иному критерию выбирается базовое созвездие НКА.
Это созвездиедолжно быть безызбыточным для уменьшения числа переборов. Перебором всехвозможныхфазовыхнеоднозначностейирешением задачиопределенияориентации при этих значениях составляется начальный набор решений. Далеекаждое начальное решение из начального набора проверяется решением пополному созвездию. Ложные решения исключаются по критерию максимумаправдоподобия.Стоит заметить, что для измерения всех указанных параметров требуетсяиспользование третьего антенного элемента, что увеличивает количествоуравнений системы в два раза. Таким образом, необходимо решить сложнуюсистему итерационным методом. Этотребует больших вычислительныхмощностей, что не всегда приемлемо.В работе [8] приводится способ модернизации решения системы уравнений(2).
Для снижения вычислительных затрат производится расчет неоднозначностейи углов α, β ипо минимальной группировке из 2-х НКА. Затем для оставшихсяL-2 решений по угловому положению объекта вычисляются неоднозначности дляостальных НКА. После этого также производится отбраковка ложных решений.Другой метод определения пространственной ориентации, основанный наинтерферометрическом принципе, заключается виспользовании эталонныхразностей фаз (ЭРФ), рассчитанных для любого положения НО в пространстве.Алгоритм заключается в последовательном сравнении ЭРФ и значений разностейфаз, полученных в результате экспериментальных измерений.
Сравнениепроизводится по критерию минимального среднеквадратичного отклонения(СКО) или максимума коэффициента корреляции. То есть необходимоминимизировать функцию (3):11где– эталонная разность фаз между сигналами от l-го НКА, приходящаяна m-ый и «опорный» антенный элемент, при n-м измерении, заранеерассчитанная для каждого положения НО в пространстве;– измереннаяразность фаз между сигналами от l-го НКА, приходящими на m-ый и «опорный»антенный элемент, при n-м измерении; N – количество временных отсчетов; M –количество антенных элементов. В результате минимизации определяютсяоптимальные значения, которые в свою очередь определяют значенияуглов α, β и . Метод удобен с точки зрения реализации, так как не требуетсяиспользование сложных математических операций.
Недостатком метода можноназвать дискретность значений ЭРФ. Уменьшая шаг при переборе все разностейфаз, количество итераций сильно возрастает. В обратном случае падает точность.Существуетсовсеминойподходопределенияпространственнойориентации, основанный на решении задач пеленгации. Пространственнаяориентация объекта считается известной, и с учетом этого находится направлениена источник излучения.
В пеленгации для этого часто применяется методмаксимумапространственнойпространственнойориентациимощностинаоборот,(МПМ).известнымПриявляетсяопределенииположениеисточника сигнала относительно объекта.В работе [4] на основе МПМ была выведена функция R, по максимумукоторой также можно определить направление на источник излучения.Максимизация этой функции может осуществляться с использованием ЭРФ.Учитывая, что задачи являются обратными, R-функция может использоваться ипри определении пространственной ориентации, но так как необходимоучитывать не менее двух НКА, используется суммарная функция:(4)где L-количество видимых НКА. Значения угловустройств корреляционной обработки.определяются на выходе12Используя матрицы поворота антенной системы относительно ТЦСК можнополучить соответствия всех углов α, β,), а значит и соответствие ЭРФ различным значениям углов α, β, ,(таки координат антенных элементовкаксвязьзначенийскоординатамиантенныхэлементоввзаимооднозначна и определена следующим выражением:, (4)где,– азимут и склонение НКА.
Путем подстановкирассчитанных для каждого возможного положения НО в пространстве иконкретного НКА, а такжев функцию R получаем зависимость значенийэтой функции от углов ориентации. Позиция максимального значения функцииопределяет оценку углов ориентации. Метод, основанный на применениифункции R, решает проблему неоднозначностей путем суммирования функций отбольшего числа НКА.Таким образом, оценки углов ориентации по МП [1] неудобны из-забольших вычислительных затрат. Возможно совместное использование МП сЭРФ [3], но в работе [4] было показано, что такой подход проигрывает в точностиметоду максимизации R-функции с применением ЭРФ.
В этих работах не былоисследованоиспользованиесигналовотнесколькихГНССнаосновемаксимизации R-функции, а также не рассматривался вопрос выбора НКА изсозвездия всех видимых НКА.1.2 Алгоритмы, использующие несколько ГНССПрием сигналов ГНСС часто осложняется плохими погодными условиями,кроме того иногда случаются сбои в аппаратуре всей системы, что приводит кпотереспособностиопределенияпространственнойориентацииНО.Использование лишь одной ГНСС потенциально не может обеспечить высокойнадежности. Поэтому рекомендуется использовать несколько ГНСС.13Очевидно, что увеличение количества НКА, используемых в решении,должно привести к повышению точности измерений [1,4], так как при обработкесигналов с НКА оцениваются одни и те же параметры.
Дополнительнымпреимуществом совместного использования ГНСС является увеличение числанаблюдаемых НКА, что сказывается на вариативности выбора рабочегосозвездия.Один из алгоритмов, основанный на МП использующий сигналынескольких ГНСС описан в работе [4]. Для определения пространственнойориентации используется описанный выше метод МП совместно с С-LAMBDA.Характерной особенностью метода является наложение маски угла склонения. Врешении используются лишь НКА, с углом склонения больше 10 градусов.Причем показано, что увеличение нижней границы приводит к снижениюточности и повышает количество аномальных ошибок.В работе [6] описывается алгоритм с использование систем GPS и Galileo.При моделировании рассматривалась ситуация определения ориентации вусловиях плотной городской застройки.Интерес представляет метод определения пространственной ориентациичерез максимизацию функции R с использованием нескольких ГНСС.
В работе [4]был сделан вывод, что использование количества НКА, начиная с 7-9 не даетощутимого выигрыша в точности, но не было показано, каким образомвыбиралось рабочее созвездие НКА. Соответственно представляет интересисследование алгоритма выбора созвездия НКА, участвующих в определенииориентации НО, а также сравнение достигаемых точностей с результатами,приведенными в работах [4,6], использующих три ГНСС.141.3 Цели и задачиЦелью работы является повышение точности определения параметровпространственной ориентации навигационного объекта при использованиисигналов от нескольких ГНСС на основе максимизации R- функции.Для достижения данной цели поставлены следующие задачи: создание алгоритма определения пространственной ориентации на основеR-функции в cреде Matlab. реализация интерфейса взаимодействия с навигационным приемникомOEM628 для получения оперативных данных о НКА. исследование алгоритмов оптимального выбора НКА из созвездия всехвидимых НКА152 Моделирование алгоритма определения пространственной ориентации2.1 Общие сведения о моделиБыла разработана модель, позволяющая исследовать алгоритм определенияориентации НО на основе R-функции с использованием ЭРФ.
Использовалисьсигналы 3-х наиболее распространенных ГНСС: GPS, GLONASS и Galileo.В качестве НО рассматривался беспилотный летательный аппарат (БПЛА) сустановленнойнанегоантеннойрешеткой(АР).Примоделированиииспользуется три антенных элемента – минимально необходимое количество дляопределения пространственной ориентации. Вариант размещения антеннойсистемы и НП на борту БПЛА указаны на рисунке 2.1.Рисунок 2.1Для определения координат всех видимых НКА используются данныеэфемерид, полученные с навигационного приемника (НП). В качестве координатНО используются координаты фазового центра антенны НП.162.2 Реализация взаимодействия с навигационным приемником.Для получения данных из актуальных на текущий момент эфемерид,необходимо было реализовать интерфейс взаимодействия с НП.
В работеиспользовался приемник OEM628, позволяющий принимать сигналы через 120каналоводновременноот60НКАнадвухчастотахL1/L2.Средирассматриваемых ГНСС возможен прием по всем частотам: GPS – L1, L2, L2C,L5; GLONASS – L1, L2; Galileo - E1, E5a, E5b, AltBOC. Время холодного стартане превышает 50 секунд, а горячего – 35 секунд. Время задержки сигнала вовходной цепи приемника, не учитывая задержку в антенне, составляет 20 нс.Проектирование производилось на языке C++ в среде разработки C++Builder XE3.Взаимодействие было реализовано по протоколу RS-232 c цельюобеспечения возможности отправления запросов НП на получение сообщенийуказанного типа и обработки принятых данных.В процессе разработки приложения прием сигналов проводился напараболическую антенну, установленную на крыше здания. Сам НП размещался впомещении внутри здания.
Взаимодействие с приемником осуществлялось черезCOM-порт (Рисунок 2.2).Рисунок 2.217Стандартноепрограммноеобеспечение(ПО)приемникапозволяетпроизводить проверку полученных данных, а также рассчитанных координатНКА.Необходимостьсозданиясобственногоинтерфейсавзаимодействиязаключалась в потребности реализации алгоритмов обработки навигационныхданных и последующим использованием их в цифровом сигнальном процессорена реальном БПЛА. Кроме того, поставляемое ПО не обладало требуемойгибкостью и не позволяло оптимизировать взаимодействие с НП в соответствии споставленными задачами.В результате проектирования было создано приложение для Windows(Рисунок 2.3), позволяющее осуществлять запросы следующих сообщений: запрос и получение временных параметров для ГНСС GPS, GLONASS,Galileo; запрос и получение статуса решения навигационной задачи (НЗ); запрос и получение координат приемника; запрос и получение номеров НКА, используемых при решении НЗ; запрос и получение псевдодальномерных измерений для НКА ГНСС GPS,GLONASS, Galileo; запрос и получение сырых потоков навигационных сообщений для НКАГНСС GPS, GLONASS, Galileo; запрос и получение эфемерид для НКА ГНСС GPS, GLONASS, Galileo; запрос и получение альманаха для НКА ГНСС GPS, GLONASS, Galileo.На основе эфемерид и альманаха приложение позволяет производить расчетуглов, дальностей и допплеровских сдвигов частот для всех видимых НКА ГНССGPS, GLONASS, Galileo.18Рисунок 2.3После отправки запроса на получение эфемерид приемник отправляетпакеты данных, содержащие навигационные параметры всех видимых НКАданной ГНСС.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
