WWW.KN.LIB-I.RU
БЕСПЛАТНАЯ  ИНТЕРНЕТ  БИБЛИОТЕКА - Различные ресурсы
 

«Принципы построения и особенности функционирования спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS Российская глобальная навигационная система ГЛОНАСС существует с 1982 года и ...»

1

Авионика

Направления

Аэронавигация

подготовки:

Системная инженерия

Дисциплина: Бортовые системы управления

Курс, семестр, уч. год: 3, весенний, 2011/2012

Кафедра: 301 – СУЛА

Руководитель обучения: ассистент Копысов Олег Эдуардович

ЛЕКЦИЯ № 24

ТЕМА: СПУТНИКОВЫЕ НАВИГАЦИОННЫЕ СИСТЕМЫ

Принципы построения и особенности функционирования

спутниковых навигационных систем (СНС) ГЛОНАСС и GPS

Российская глобальная навигационная система ГЛОНАСС существует с 1982 года и первоначально использовалась лишь в интересах обороны СССР, а с 1987 года используется международным содружеством в интересах навигации гражданских потребителей.

Система ГЛОНАСС включает три подсистемы (сегмента): космическую, наземную и подсистему потребителей.

Космический сегмент предполагает существование (при полном развертывании системы) 24 спутников, обращающихся в трех орбитальных плоскостях (по 8 спутников в каждой), равномерно разнесенных по экватору. Спутники движутся по так называемым околокруговым орбитам высотой 19 100 км с периодом обращения 11 часов 15 минут и наклонением 64,8° (рис. 24.1). Такое расположение спутников позволяет потребителю наблюдать одновременно не менее четырех спутников в любой точке Земли круглосуточно.

Наземная подсистема обеспечивает поддержание описанной выше архитектуры созвездия спутников ГЛОНАСС и включает:



центр управления системой;

систему синхронизации сигналов ГЛОНАСС;

сеть наземных измерительных пунктов (НИПов), обеспечивающих измерение параметров орбит спутников ГЛОНАСС и посылку на их борт необходимой служебной информации и сигналов управления;

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

сеть квантово-оптических станций (КОСов), предназначенных для калибровки НИПов.

Рисунок 24.1 – Архитектура созвездия ГЛОНАСС Подсистема потребителей включает множество пользователей (военных, гражданских), обладающих соответствующей навигационной аппаратурой (приемники СНС).

Американская система GPS имеет аналогичный состав подсистем и схожие принципы функционирования.

Космический сегмент GPS включает также 24 спутника, сгруппированных в 6 плоскостях по 4 спутника в каждой. Спутники обращаются по околокруговым орбитам высотой 2 0 180 км с периодом обращения около 12 часов и наклонением 55°.

Размещение спутников в каждой из 6 плоскостей показано на рис. 24.2. Такая архитектура созвездия позволяет наблюдать в любой точке Земли от 5 до 11 спутников.

Элементы наземного сегмента GPS имеют назначение, аналогичное описанному выше, за исключением КОС, которые в системе GPS отсутствуют.

Станции слежения системы GPS находятся не только на территории США, но и во многих точках поверхности Земли.

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

Рисунок 24.2 – План распределения спутников системы GPS по плоскостям Глобальные спутниковые навигационные системы по своему принципу действия являются среднеорбитальными дальномерно-доплеровскими системами пассивного типа. Пассивный способ организации системы, когда пользователи не посылают сигналов на наблюдаемые спутники, позволяет обслуживать неограниченное число потребителей навигационной информации. Навигационные определения в такой системе (вычисление координат) осуществляются прежде всего на основе измеренных дальностей до спутников. Кроме этого структура сигналов спутников позволяет получать радиальные скорости по измерениям доплеровских сдвигов несущих частот. Доплеровские сдвиги частоты могут быть использованы для вычисления как скоростей, так и координат потребителей.





Определение положения, скорости и ориентации ЛА на основе ГЛОНАСС / GPS-технологий Процесс определения положения, скорости и ориентации Л А на основе данных, поставляемых многоканальным ГЛОНАСС/GPS-приемником, включает в себя фактически две принципиально разные задачи, одна из которых — собственно навигационная, решаемая, как правило, на основе обработки так называемых кодовых измерений (псевдодальности и псевдоскорости), определяемых на основе навигационного послания приемника. Другая, а именно определение углового положения и

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

угловых скоростей ЛА в той или иной системе координат, решается на основе обработки так называемых фазовых измерений, получение которых связано с необходимостью вычисления разности фаз несущей частоты на различных антеннах приемника. При этом решение второй задачи, вообще говоря, невозможно без предварительного решения первой. В силу сказанного ниже обсуждается решение обеих перечисленных задач, прежде всего с точки зрения анализа потенциальной точности определения положения, скорости и ориентации ЛА в конкретных условиях. Многообразие неконтролируемых факторов (стохастических, неопределенных, нечетких), присутствующих при решении обозначенных задач, а также сложный характер их взаимодействия приводят к неизбежному выводу о том, что наиболее конструктивным подходом к решению задачи анализа точности определения положения, скорости и ориентации ЛА на основе ГЛОНАСС/GPS-технологий является математическое моделирование.

Подчеркнем, что для моделирования процесса определения положения, скорости и ориентации ЛА необходимо сформировать следующие математические модели и алгоритмы:

модель созвездий ГЛОНАСС/GPS;

модель наблюдаемости спутников ГЛОНАСС / GPS;

модели движения центра масс и углового движения ЛА;

модель навигационного послания ГЛОНАСС / GPS;

модель антенной системы ЛА;

алгоритм определения положения и скорости ЛА;

алгоритм определения ориентации ЛА.

Предварительно заметим, что все перечисленные модели и алгоритмы необходимо сформировать с учетом влияния следующих неконтролируемых факторов:

ошибки определения эфемерид навигационных ИСЗ (НИСЗ) ГЛОНACC/GPS, возникающих в результате определения эфемерид НИСЗ средствами наземного комплекса навигации и управления этих спутниковых систем;

систематические и случайные ошибки измерений псевдодальности и псевдоскорости вследствие так называемых ионосферной и тропосферной задержек, Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

ухода часов приемника и его внутренних шумов;

систематические и случайные ошибки измерений разности фаз несущей частоты, вследствие так называемого эффекта многолучевости, ухода часов приемника и его внутренних шумов;

систематические и случайные ошибки инициализации системы вследствие неточного знания начальных условий движения.

В качестве алгоритмов для обработки поступающей от приемной аппаратуры информации могут быть использованы следующие:

рекуррентный байесовский алгоритм (модификация фильтра Калмана);

метод наименьших квадратов по полной выборке.

В самом общем случае задача определения положения, скорости и ориентации ЛА с использованием многоканального ГЛОНАСС/GPS-приемника может быть решена лишь только в том случае, если ЛА оснащен антенной системой, состоящей, в минимальном случае, из 4 антенн, расположенных симметрично в горизонтальной плоскости симметрии ЛА (рис. 24.3).

Рисунок 24.3 – Схема расположения антенн Задача об определении координат и компонент вектора скорости ЛА решается на основе поступающих на вход приемника псевдодальностей и псевдоскоростей от видимых в данный момент НИСЗ систем GLONASS/GPS и имеющемся альманахе Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

созвездий НИСЗ. При этом, как правило, в зависимости от модели приемника, для решения задачи используется либо метод наименьших квадратов (МНК), либо рекуррентный байесовский алгоритм оценивания, использующий бортовую модель движения ЛА.

Будем полагать, что задача определения ориентации ЛА решается на основе МНК по полной выборке, использующего в качестве измерений разность фаз несущей частоты от каждого НИСЗ, сформированную на двух основных базах антенной системы. Такое предположение позволяет не использовать при решении этой задачи на борту ЛА математическую модель углового движения ЛА или использовать эту модель в предельно упрощенной форме.

Анализ точности решения подобных задач с учетом различных неконтролируемых факторов производится путем имитационного моделирования процесса функционирования системы навигации ЛА на основе многоканального приемника GLONASS/GPS с учетом специфики бортовой реализации алгоритмов, широкого спектра ошибок измерений, разброса начальных условий и возможности работы по разным созвездиям НИСЗ. В конечном счете, характеристика точности может быть получена путем статистического анализа процесса навигационных определений ориентации ЛА на основе метода Монте-Карло.

На рис. 24.4 приводится функциональная схема имитационного моделирования процесса навигации ЛА и определения ориентации ЛА с помощью многоканального приемника GLONASS/GPS. Рассмотрим коротко назначение основных блоков этой функциональной схемы.

Блок «Имитационные модели движения НИСЗ GPS & GLONASS и ЛА» формирует на текущий момент времени «истинные» координаты и компоненты вектора скорости ЦМ ЛА Х S, углы Эйлера ES (тангаж, рысканье, крен), а также, «истинtr tr <

–  –  –

«истинных» эфемерид навигационных КА и вектора состояния ЛА целесообразно использовать наиболее полные модели их движения и высокоточный метод интегрирования систем обыкновенных дифференциальных уравнений.

Блок «Формирование массивов «истинных» измерений» предназначен для моделирования истинных значений измерений дальности ptr, скорости tr и разности фаз tr для видимых НИСЗ с учетом перечисленных выше неконтролируемых факторов.

Для видимых НИСЗ блок «Моделирование навигационного сообщения GPS & GLONASS» формирует навигационное послание, содержащее «загрубленные» (т. е.

с учетом ошибок работы наземного комплекса) эфемериды видимых КА на момент времени, соответствующий ближайшему получасу — Х ONS (30).

ref Блок «Интегрирование опорных траекторий видимых НИСЗ GPS & GLONASS» вычисляет опорные координаты видимых НИСЗ на текущий момент времени — Х ONS (t ).

ref

–  –  –

дущем блоке, для расчета опорной траектории целесообразно использовать упрощенную модель движения и простой метод интегрирования.

Блок «Вычисление опорных положений антенн в инерциальной СК» формирует опорные координаты антенной системы в инерциальной СК Х ant на основе исref <

–  –  –

«Алгоритм определения ориентации целевого ЛА». Полученная оценка углов ЭйлеЛекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

ра E S используется в дальнейшем блоком «Моделирование опорной траектории и * углового движения целевого ЛА» как опорная характеристика ориентации ЛА.

Полученные значения «истинных» и опорных значений дальности и скорости для всех НИСЗ используются для определения оценки координат и компонент вектора скорости ЛА — вектора Х S блоком «Алгоритм определения положения и скорости ЛА». Полученная оценка Х S используется в дальнейшем блоком «Моделирование опорной траектории и углового движения ЛА» в качестве опорного положения ЛА.

Перейдем теперь к описанию используемых математических моделей движения НИСЗ систем ГЛОНАСС/GPS. Как уже отмечалось выше, при имитационном моделировании используются два вида моделей движения НИСЗ систем GPS & GLONASS. Первый вид моделей используется для моделирования «истинного»

движения НИСЗ, а второй можно рассматривать как «бортовые» модели, входящие в состав ПМО бортовой интегрированной системы навигации и наведения маневренного ЛА.

Имитационная математическая модель движения НИСЗ, позволяющая сформировать эфемериды этих КА с необходимой точностью, включает учет следующих возмущающих воздействий:

нецентральность гравитационного поля Земли с точностью до гармоник 8 порядка и степени включительно;

гравитационное притяжение Луны и Солнца;

аэродинамическое сопротивление атмосферы;

давление солнечного света.

Для интегрирования систем дифференциальных уравнений движения НИСЗ может быть рекомендован высокоточный вложенный метод Дормана-Принса с автоматическим контролем локальной погрешности и длины шага интегрирования.

Дальнейшее использование сформированных эфемерид может быть реализовано, например путем полиномиальной Чебышевской аппроксимации.

«Бортовая» модель движения НИСЗ может быть реализована с ис

<

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

пользованием существенно более простой модели движения с учетом лишь нецентральности гравитационного поля Земли с точностью до гармоник 2 порядка и степени включительно;

гравитационного притяжения Луны и Солнца.

При этом для интегрирования систем дифференциальных уравнений движения НИСЗ может быть рекомендован стандартный метод Рунге-Кутты с постоянным шагом интегрирования.

В качестве начальных условий интегрирования для «бортовой» модели движения НИСЗ необходимо использовать «загрубленные» эфемериды «истинных»

НИСЗ, полученные на основе имитационной модели, на момент времени, соответствующий ближайшему получасу. «Загрубление» реализовывается на основе предположения о том, что ошибки эфемерид подчиняются нормальному закону распределения, с ковариационной матрицей характеризующейся следующими свойствами:

СКО ошибки эфемерид НИСЗ по радиусу орбиты, нормали к орбите и вдоль орбиты определяются следующими значениями:

r l n 10 м; r l n 5 м / с. (24.1) Математическая модель движения ЛА, на борту которого установлен многоканальный навигационный приемник, также включает два типа моделей: модель «истинного» движения, используемая при формировании истинной траектории ЛА, включая положение, скорость и ориентацию ЛА и «бортовую» модель, использующуюся в ПМО бортовой интегрированной системы навигации и наведения.

Модель «истинного» движения представляет собой максимально полную систему дифференциальных уравнений пространственного движения Л А в связанной и географической системах координат (СК). Специфика конкретного ЛА определяется в соответствующем наборе аэродинамических и массово-инерциальных характеристик ЛА.

Анализ показывает, что минимально необходимый для бортовой реализации «набор» систем координат должен содержать следующие системы (рис.

24.5):

2000.0 инерциальная система координат (IF 2000).

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

Начало отсчета IF 2000 находится в центре масс Земли. Основная плоскость – средний экватор на 0h00m00s 1 января 2000 г. (эпоха J 2000.0). Ось XIF направлена в среднюю на эпоху точку весеннего равноденствия. Ось ZIF направлена по оси вращения Земли, соответствующей Международному Условному началу на 1900г. Ось YIF дополняет систему координат до правой.

Рисунок 24.5 – Набор систем координат Земная Связанная система координат (UGF).

Начало отсчета UGF находится в центре масс Земли. Ось ZU GF направлена по оси вращения Земли, соответствующей Международному Условному началу (МУН) на 1900-1905 г. Ось ХU GF проходит через Гринвичский меридиан, соответствующий Международному Условному началу. Ось YU G F дополняет систему координат до правой.

Орбитальная система координат (OF).

Начала отсчета ОF находится в центре масс ЛА. Ось ХOF направлена по радиус-вектору ЛА (так называемая ось R). Ось ZOF направлена по вектору моменту количества движения Л А (так называемая ось N). Ось YOF дополняет систему координат до правой (так называемая ось L).

Связанная система координат (BF).

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

Начала отсчета ВF находится в центре масс ЛА. Оси ВF (Х0, Y0, Z0) являются осями симметрии ЛА.

Координаты антенн задаются в связанной системе координат. Для определения видимых НИСЗ и расчета векторов дальностей и производных дальностей требуется пересчитать координаты и компоненты вектора скорости каждой антенны в инерциальную систему координат. Для этого приведем соотношения, описывающие переход между используемыми СК.

Введем матрицы-операторы вращения вокруг каждой из осей на некоторый угол «a»:

–  –  –

где,, – Эйлеровы углы ориентации ЛА.

Тогда координаты антенны в инерциальной СК будут записаны следующим образом:

Rant – «истинный» радиус-вектор антенны в инерциальной СК;

tr

– систематическая ошибка, вызванная разностью временных шкал НИСЗ и chr приемника;

– систематическая ошибка, обусловленная ионосферной задержкой сигнаion <

–  –  –

Лекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

где tr – «истинное» значение производной дальности между антенной ЛА и НИСЗ;

VNS – «истинный» вектор скорости НИСЗ;

tr Vant – «истинный» вектор скорости антенны ЛА в инерциальной СК;

tr 0 – единичный вектор в направлении «истинной» дальности между антенной tr ЛА и НИСЗ;

sys – систематическая ошибка измерений производной дальности;

– случайная аддитивная ошибка, обусловленная внутренними шумами приемника.

Измерение разности фаз На рис. 24.6 представлена принципиальная схема измерений разности фаз несущей частоты сигнала НИСЗ, находящегося в зоне видимости обеих антенн аппаратуры спутниковой навигации (АСН) ЛА.

Рисунок 24.6 – Потенциальная схема измерений разности фаз Здесь m – полное число длин волн несущей частоты в разности фаз сигнала kго НИСЗ, принятого первой и второй антеннами -й базы ( – неопределенный целочисленный параметр); – измеренная разность фазы сигнала НИСЗ; lk0 – едиЛекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

ничный вектор линии визирования от объекта на НИСЗ. Эти измерения позволяют с сантиметровой точностью определять значения проекций антенной базы на направления визирования видимых НИСЗ, что, в конечном счете, и обеспечивает определение ориентации объекта в пространстве.

Непосредственно приемник измеряет не полные значения проекций, а лишь доли их, получающиеся после вычитания целого числа длин волн несущей частоты.

Полные же значения проекций определяются алгоритмическим путем, базирующимся на использовании избыточности информации за счет большого числа видимых НИСЗ, и/или априорной информации инерциальной системы самого объекта.

Таким образом, в качестве измеренного значения разности фаз на основных базах антенной системы (рис. 24.6) будем рассматривать эквивалентную линейную величину l1tr ( B1tr, 1tr 0 ) ; l2 ( B2, 3 0 ), tr tr tr (24.10)

–  –  –

циальную систему координат;

1tr 0, 3 0 – единичные векторы в направлении «истинных» дальностей между tr 1 и 3 антенной и НИСЗ;

– систематическая ошибка, обусловленная эффектом многократного переотражения сигнала (многолучевостью).

Систематическая ошибка, вызванная многолучевостью принимаемого

–  –  –

где i – угол восхождения НИСЗ, по которому производится измерение;

i 1 – угол восхождения НИСЗ, по которому производилось предыдущее измерение;

1ref 0, 3ref 0 – единичные векторы в направлении опорных дальностей между 1 и 3 антенной и НИСЗ.

В зависимости от типа используемого приемника для обработки поступающей информации могут быть использованы два вида алгоритмов: рекуррентный байесовский алгоритм, базирующийся на модификации фильтра Калмана, либо традиционЛекция № 24. Спутниковые навигационные системы.

ный метод наименьших квадратов, работающий по полной выборке измерений.

В первом случае целесообразно использовать так называемую «скалярную»

модификацию фильтра Калмана, особенность которой состоит в том, что компоненты вектора измерений обрабатываются поочередно и тем самым удается избежать использования операции обращения матрицы. Процесс функционирования «скалярной» модификации фильтра Калмана удобно представить в виде следующей схемы:

Цикл j = 1,..., Ns, где Ns – число сеансов определения координат и компонент вектора скорости.

Прогноз ковариационной матрицы Pj Pj* Ф j, j 1 Pj 1ФT, j 1 K w, (24.15) j где Ф j, j 1 – фундаментальная матрица системы на j сеанс навигационных

–  –  –

Термины для занесения в тезаурус: эфемериды, опорная дальность, спутниковая навигационная система, фильтр Калмана.

Похожие работы:

«Criminal law and criminology; criminal enforcement law 117 УДК 343.8 Publishing House ANALITIKA RODIS ( analitikarodis@yandex.ru ) http://publishing-vak.ru/ Постпенитенциарный контроль: отдельные аспекты международного регулирования и зарубежного опыта Лампежев Алим Сураждинович Адъюнк...»

«Моя работа доставляет мне радость и удовольствие Городские Известия. № 149. 14 декабря. Александр Рябчинский на­стройщик фортепиано музы­кального колледжа-интерната слепых. В музыкальном мире он известный и признанный мас­тер. С 2001 года состоит в Ассо­циации фортепианных мастеров России, объединяющей профес­сионалов высокого класса.Алексан...»

«Артур Джилман Джон Пентланд Магаффи Империя Александра Великого Издательский текст http://www.litres.ru/pages/biblio_book/?art=6278028 Империя Александра Великого: Центрполиграф; М.; 2013 ISBN 978-5-9524-5083-7 Аннотация А...»

«Фундаментальные основы повышения надежности и качества изделий СОДЕРЖАНИЕ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫЕ ОСНОВЫ БЕЗОПАСНОСТИ, НАДЕЖНОСТИ И КАЧЕСТВА Дивеев А. И., Шмалько Е. Ю.СИНТЕЗ СИСТЕМЫ УПРАВЛЕНИЯ НА ОСНОВЕ АППРОКСИМАЦИИ МНОЖЕСТВА ОПТИМАЛЬНЫХ ТРАЕКТОРИЙ МЕТОДОМ СЕТЕВОГО ОПЕРАТОРА Сафроно...»

«Темницкий А.Л. К проблеме становления новой субъектности рабочих / А.Л. Темницкий // Социология и общество: глобальные вызовы и региональное развитие [Электронный ресурс] : Материалы IV Очередного Всероссийского социологического конгресса / РОС, ИС РАН, АН РБ, ИСППИ. — М.: РОС, 2012. — С. 4626URL: http://www.isras.ru/files/File/congress2012/part...»

«СОГЛАСОВАН: УТВЕРЖДЕН: Распоряжение Министерства Приказ Республиканского имущественных и земельных отношений агентства по делам семьи и детей Республики Бурятия Республики Бурятия № _от ""_ 20_г. № от "_"20_г. УСТАВ Государственного бюджетного учреждения соци...»

«Тарифный план Дружба 2016_12 Санкт-Петербург на территории домашней сети (г. Москвы и Московской области и г. Санкт-Петербурга и Ленинградской области)1 Наименование Тариф, руб. (с НДС)2 Исходящие вызовы абонентам г. Москвы и Московской области, г. Санкт-П...»








 
2017 www.kn.lib-i.ru - «Бесплатная электронная библиотека - различные ресурсы»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.