Власов И.Б. Глобальные навигационные спутниковые системы (2008) (1151863), страница 21
Текст из файла (страница 21)
Значения направляющих косинусов двух неколлинеарных векторов (линий визирования НКА), рассчитанные по ре- 112 зультатам навигационного сеанса в ГЦСК и измеренные радиотехническим методом в ОСК, полностью определяют углы между осями ОСК и ГЦСК. Затем углы ориентации, найденные в ГЦСК„можно пересчитать в ТЦСК и в ней определить интересующие нас углы ориентации обьекта: азимут, крен и тангаж.
8.3. Радиоинтерферометрический метод измерения угловых координат Как было показано выше, для определения угловой ориентации объекта с использованием сигналов СРНС необходимо в ОСК определить радиотехническим методом углы визированн» нескольких (не менее двух) НКА. Эта задача может быть решена двумя методами: радиопеленгационным и радиоинтерферометрическнм. Радиопеленгационный метод предполагает использование остронаправленной антенны, позволяющей известными амплитудными методами (пеленгация по максимуму сигнала или методом равносигнальной зоны) определить направление на источник сигнала (НКА). Естественно, что точность измерения этим методом зависит от размера апертуры антенны.
В частности, для того чтобы при описанных выше параметрах СРНС ГЛОНАСС и ОРИ обеспечить погрешность определения утлов визирования источника сигнала порддка 1О угловых минут необходима зеркальная антенна нли ФАР с апертурой порядка ЗхЗ м. Очевидно, что разместить антенное полотно с такими размерами на подвижном объекте обычно сложно, а иногда н невозможно.
Поэтому все современные образцы угломерной АП применяют интерферометрический (фазовый) принцип измерений. В этом случае используется несколько (не менее трех) слабонаправленных и поэтому сравнительно небольших (с линейным размером пордлка Х) антенн, которые располагаются на объекте таким об- /ф разом, чтобы расстояние (база) г) г //4' между ними было примерно ! / равно размеру апертуры антен- / 13 ны, обеспечивающей ту же точ- А А~ ность при амллитудном методе. Как известно„интеРфеРомет- Рве. 8.З.
Схема ннтерферометрнчерический принцип определения сках измерений 113 направления на источник сигнала основывается на том, что разность фаз сигналов Л<р, принимаемых антеннами, разнесенными на расстояние 1„пропорциональна косинусу угла ~3 между базой ннтерферометра и направлением на НКА (см, рис. 8.3). Таким образом, радионавигационным параметром в данном слу2пЛг чае является фазовый сдвиг Лср=, а навигационным пара- Х метром — угол ~3. Навигационная функция для однозначных фазовых измерений имеет вид Ь~р = — ! соя|3, 2п 2. (8.2) где Ь<р — измеренный фазовый сдвиг, лежащий в пределах О < Ь<р < 2п; 1 — длина базовой линии интсрферометра. Принципиальная особенность интерферометрического метода состоит в том, что поскольку интервал однозначного определения фазы равен ( — и, к), измерения разности фаз в интерферометре являются однозначными толью при длине базовой линии 1< Ь2.
В общем случае юсинус угла между базой интерферометра и направлением на 1-й НКА и измеряемая интерферометром разность фаз сигнала в разнесенных антеннах связаны соотношением соз ~3; = — ' Мг+ 1~ ' 2п1; Здесь М; — параметр фазовой неоднозначности, т. е. целое число длин волн в разности расстояний от 1-го НКА до антенн АП, М; = )Лг/)~[. Как следствие, результату фазовых измерений будет сопоставлен ансамбль из 2Ь~, + 1 значений соя ~3ь из которых лишь одно соответствует истинному. Поэтому обязательной составной частью алгоритма функционирования угломерной АП является процедура устранения (разрешения) неоднозначности фазовых измерений.
Для решения этой задачи могут использоваться различные методы: разностные; основанные на дополнительных (с точки зрения «стандартной» навигационной задачи — избыточных) измерениях; многошкальные (нониусные), основанные на результвгах двухчастотных измерений или на использовании дополнительных антенн, расстояние между которьлии меньше половины длины волны (подробнее см. разд. 10).
Возможно также «привлечение» данных от источников, использующих другие физические принципы опреде- П4 лення угловой ориентации„например гироскопических или магнитных компасов. Важно, что процедура устранения неоднозначности никак не влияет на структуру и характеристики процедуры собственно угловых измерений, что позволяет рассматривать нх независимо. Поэтому в данном разделе при рассмотрении алгоритма определения угловой ориентации будем полагать, что используемые фазовые измерения приведены к однозначному интервалу.
Основное уравнение связи между направляющими косинусами линии визирования ио НКА, рассчитанными в ГЦСК, измеренным с помощью интерферометра косинусом угла между его базой и линией визирования того же НКА, и искомыми направляющими косинусами базы интерферометра в ГЦСК: совО=г~!~ — — С,сов13, +С сов13 +С,соф~, где ~> — единичный вектор базы иитерферометра; сов 13„сов~3,„сов ~3,— направляющие косинусы базы интерферометра в ГЦСК; го — единичный вектор линии визирования НКА; С„, С, С, — направляющие косинусы вектора го в ГЦСК (см. формулу (8,1)), Ках уже говорилось, для однозначного определения углов пространственной ориентации ОСК необходимо провести измерения не менее чем по двум НКА.
Кроме того, поскольку с помощью одного вектора невозможно задать все три угла пространственной ориентации, необходимо жестко связать с обьектом, по меньшей мере, два неколлннеарных вектора, т. е. использовать антенную систему нз двух интерферометров. Таким образом, система уравнений, опредезиющая параметры упювой ориентации объекта, будет иметь вид С сов~3„, +С~,сов~3х, +С„-сов~3,~ — совОл, (8.3) С„;сов13,з+С сов13 ~+С„.соф,~ =совОч.
Система (8.3) для 1 = 1. 2 содержит четыре уравнения с шестью неизвестными — направляющими косинусами баз интерферометров в ГЦСК. Чтобы найти однозначные решения, эту систему дополняют известным уравнением связи между направляющими косинусами вектора спазм +совз13 +совз13 =1 и выражением для уша у между базами интерферометров ( эта величина определяется конструкцией антенной системы и считается известной) Р.
р, + р, Р, + ~3. р.. = 115 Решая известными методами систему (8.3), дополненную указанными уравнениями связи, можно однозначно определить ориентацию баз интерферометров в ГЦСК. Поскольку положение этих баз относительно ОСК определяется конструкцией антенной системы и считается известным, становится возможным найти ориентацию ОСК в ГЦСК. Далее, используя полученные по результатам навигационного сеанса географические координаты объекта (широту В и долготу Е) при помощи известной матрицы преобразования координат — ялВсозЕ япВялЕ соаВ соаВсозЕ созВяпЕ ялВ -япЕ соя Е О можно пересчитать направляющие косинусы осей объектовой системы координат из ГЦСК в ТЦСК, а загем определить углы Эйлера (азимут а, крен О и тангаж у) с помощью следующих выражений: соя 13, а = агс18 соф, сов 13 Вг = агс18 сов 13 соя~3„ О = агс18 — агс18 соя13 соз13, -соя)3 „ соз13, соя13 8.4.
Достижимая точность угловых измерений в АП ГНСС Теоретически, как следует из формулы (8.2), при фиксированном значении угла р фазовый сдвиг Л<р (угловая чувствительность интерферометра) неограниченно возрастает пропорционально увеличению базы Е Соответственно, возрастает и точность измерений угла 13. На практике точность угломерной АП определяется рядом факторов, поэтому ее зависимость от длины базы имеет более сложный характер. В частности, существенными являются нарушения фазовой струкгуры сигнала, возникающие в случаях многолучевого распространения, когда сигнал в точке приема представляет собой суперлозицию колебаний, приходящих непосредственно с НКА, и отраженных близлежащими объектами. Кроме того, на точность 11б измерений влияет зависимость положения фазового центра приемных антенн от угла падения и частоты сигнала (последняя проявляется при работе по сигналам ГЛОНАСС, использующей частотное разделение), а также аппаратно-алгоритмический шум фазометрического тракта приемника, который зависит от качества аппаратуры, особенностей динамики объекта и способов ее учета в используемых алгоритмах сглаживания, Результаты отечественных и зарубежных исследований позволяют сделать вывод, что зависимость флуктуационной составляющей погрешности упювых измерений от базы достаточно близка к теоретической (линейной) при длине базы в пределах 1О м; Длина базовой линии, м ...
0,5 1,0 2,0 4,0 8,0 СКО единичного измерения, угл. мив ...... 30...35 13...15 8...10 4...5 2...3 Дальнейшее увеличение базы при классической схеме, когда сигналы всех антенн передаются по кабелям в общий приемник (т. е. используется единый опорный генератор), по-видимому, нецелесообразно из-за увеличения влияния таких факторов, как многолучевое распространение, потери в кабелях, нестабильность их электрической длины и т.
п. Более рациональным в этом случае является метод «третьих разностей» (см. разд. 1О), когда каждая антенна снабжается своим комплектом АП с автономным опорным генератором, в которой определяются вторые разности фаз сигналов, принимаемых от всех спутников. Значения вторых разностей передаются в центральный процессор, где вычисляются третьи разности фаз, что позволяет устранить ошибку от расхождения опорных генераторов приемников. В литературе приводятся данные о том, что при максимальной длине базы порядка 30 м СКО угловых измерений по методу «третьих разностей» составило несколько десятков угловых секунд.
Тот же порядок погрешностей получен в ходе испытаний АП, построенной по классической схеме (с общим опорным генератором) при длине базы 40 м 1111. По-видимому, величина погрешности порядка 30 угл. с является предельно достижимой для угломерной аппаратуры, построенной по рассмотренному выше принципу. 8.5. Пример реализации угломерной АП Проиллюстрируем возможный вариант реализации рассмотренных выше принципов измерения пространственной ориентации объектов на примере серийной российской угломерной АП МРК-27.
117 Средняя квадратическая погрешность измерения: географические координаты, и............... высота, м . скорость, м/е . Угол азимута при базовом расстоянии между антеннами 10 м, угл. мин Угол крена н тангажа при базовом расстоянии между антеннами 10 м, угл. мин .. Погрешность привязки секундной аппаратной метки времени к шкале ГЭВЧ, мкс .............. Долговременная стабильность выходного сигнала 10МГц 30,0 50,0 0,1 2,0 4,0 1,0 10-1о Внешний вид антенной системы МРК-27 приведен на рис. 8.4, а структурная схема аппаратуры — на рис. 8.5.
Особенностью построения данной АП является использование принципа кодового разделения сигналов НКА, поступающих с выходов трех антенн. После объединения этих сигналов в сумматоре вся их дальнейшая обработка осуществляется единым радиотрактом, что позволяет исключить систематические погрешности, обусловленные неидентнчностью приемных каналов. При этом преобразование сигналов на первую ПЧ и суммирование сигналов производится в выносном блоке, конструктивно объединенном с антенной платформой, что позволяет использовать для передачи сигналов в приемно-вычислительный блок один общий фидер. Вся последующая обработка: разделение литерных частот НКА ГЛОНАСС, свертка ПСП, поиск и сопровождение сигналов НКА по частоте и фазе производится в цифровой части АП. Производительность тракта цифровой обработки обеспечивает возможность одновременных Я:Ё3 измерений РНП по сигналам девяти НКА.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
