Розвиток методів мережної супутникової диференціальної навігації

Размещено на http://www.allbest.ru/

Міністерство освіти і науки України

Харківський національний університет радіоелектроніки

УДК 621.396.98

РОЗВИТОК МЕТОДІВ МЕРЕЖНОЇ СУПУТНИКОВОЇ ДИФЕРЕНЦІАЛЬНОЇ НАВІГАЦІЇ

05.12.17 - радіотехнічні та телевізійні системи

Автореферат дисертації на здобуття наукового ступеня

кандидата технічних наук

Шелковєнков Дмитро Олександрович

Харків 2009

Дисертацією є рукопис.

Робота виконана у Харківському національному університеті радіоелектроніки Міністерства освіти і науки України.

Науковий керівник: кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Жаліло Олексій Олександрович, Харківський національний університет радіоелектроніки, провідний науковий співробітник кафедри основ радіотехніки.

Офіційні опоненти: доктор технічних наук, професор Баришев Ігор Володимирович, Національний аерокосмічний університет ім. М.Є. Жуковського «ХАІ», завідувач кафедри проектування радіоелектронних систем літальних апаратів;

кандидат технічних наук, старший науковий співробітник Ткачук Олександр Олександрович Національний науковий центр «Інститут метрології», м. Харків, провідний науковий співробітник.

Захист відбудеться "20" травня 2009 р. о 15 годині на засіданні спеціалізованої вченої ради Д64.052.03 у Харківському національному університеті радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14, ауд. 13.

З дисертацією можна ознайомитися у бібліотеці Харківського національного університету радіоелектроніки за адресою: 61166, м. Харків, просп. Леніна, 14.

Автореферат розісланий “16 ” квітня 2009 р.

Вчений секретар

спеціалізованої вченої ради В.М. Безрук

ЗАГАЛЬНА ХАРАКТЕРИСТИКА РОБОТИ

Актуальність теми

В останні роки глобальні супутникові навігаційні системи (ГНСС) знаходять все біль широке впровадження як у задачах високоточної навігації, так і в задачах високоточного визначення просторових координат у режимах післясеансної обробки та реального часу. Незважаючи на постійне вдосконалення існуючих ГНСС (GPS, ГЛОНАСС) та перспектив розвитку нових ГНСС систем, що розгортаються (GALILEO, Compas/Beidou), експлуатаційні характеристики при автономному функціонуванні цих систем (точність, надійність, безперервність, цілісність) залишаються незадовільними для багатьох практичних застосувань - геодезичної та кадастрової зйомки, ГІС, землеустрою, високоточної навігації тощо.

Одним з способів забезпечення вимог ряда груп користувачів щодо якості координатного забезпечення є використання диференціального методу, що широко використовується на практиці. Традиційний диференціальний підхід, який базується на одночасній обробці спостережень користувача із спостереженнями однієї просторово віддаленої базової ГНСС-станції з апріорно відомими координатами, дозволяє враховувати та використовувати просторово-часову кореляцію основних джерел повільнозмінюючихся похибок - іоносферної, тропосферної, ефемеридно-часової складових. Відомо, що однобазовий диференціальний метод має ряд недоліків, таких як залежність точності від віддаленості користувача до базової станції у зв'язку із просторовою декореляцією повільнозмінюючихся похибок, неможливість організації високоточних координатних визначень на великій території та ін. Тому все більшого поширення знаходять мережні методи, коли необхідна корегувальна інформація формується з використанням мережі станції. Це дає можливість більш ефективного зменшення повільнозмінюючихся погрішностей за рахунок сумісної обробки надмірної вимірювальної інформації просторово рознесених базових станцій із забеспечення рівномірних показників по точності та надійності на території всієї мережі. При цьому застосовувані методики обробки вимірювальної інформації, тип застосовуваної апаратури, вимоги щодо точності та надійності координатного рішення впливають на максимально припустимі відстані між базовими станціями.

Огляд науково-технічних досягнень в галузі мережних систем точних координатних визначень показує, що на даний момент створено або є перспективними цілий ряд систем, таких як WAAS (США), NDGPS (США), EGNOS (Европейський Союз), OmniStar (Нідерланди), що дозволяють забезпечити субметровий-дециметровий рівень точності. Порівнюючи характеристики точності та надійності із вимогами що діють на території України, можна стверджувати, що потенційно ці системи могли б задовольнити потреби значної кількості користувачів. Однак ці відомі рішення мають ряд недоліків до яких можна віднести:

- велика складність та закритість алгоритмів функціонування;

- неможливість обслуговування користувачів одночастотної апаратури;

- не відповідаюсть вимогам по точності або надійності у випадку розріджених мереж станцій.

Ідея дисертаційної роботи полягає в досягненні необхідної точності та надійності позиціювання за рахунок більш ефективного використанняінформації мереж базових станцій, зменшення складових похибок спостережень користувачів шляхом комплексного використання нових раціональних методів обробки та контролю і забезпечення якості вимірювальної інформації і результатів визначення місцеположення.

Зважаючи на вищенаведене, актуальною є тема дисертаційної роботи, що спрямована на розвиток вітчизняних високих технологій в сфері точного визначення місцеположення, що неможливо без створення вітчизняної сучасної теорії, методичного, алгоритмічного та програмного забезпечення обробки ГНСС-спостережень.

Зв'язок роботи з науковими програмами, планами, темами

Дисертаційні дослідження пов'язані з проведенням планових науково-дослідних робіт Харківського національного університету радіоелектроніки та Головної астрономічної обсерваторії НАН України, зокрема:

- НДР «Разработка и экспериментальная отработка алгоритмов формирования корректирующих дифференциальных поправок ККС СКНОУ в послесеансном режиме c использованием мультиреференцного принципа» (2005, №ДР 0105U004399), виконавець;

- НДР «Разработка и экспериментальная отработка алгоритмов исправления фазовых скачков GPS-наблюдений, анализа уровня многолучевости кодовых наблюдений и контроля качества измерительной информации двухчастотных приемников ККС СКНОУ в послесеансном режиме» (2005, №ДР 0102U063756), виконавець;

- НДР «Дослідження та визначення задач, способів і засобів технічної та метрологічної підтримки розгортання та експлуатації української частини наземного сегменту систем EGNOS і GALILEO» (2005, №ДР 0105U004290), виконавець;

- НДР «Створення та розвиток технологій віртуальних референцних GPS-станцій» (2006-2007, №ДР 0106U004351), виконавець;

- НДР "Розробка та дослідження підсистеми збору і автоматизованої післясеансної обробки GNSS спостережень користувачів з використанням зональних VRS-корекцій та підсистеми розповсюдження диференціальних DGPS/RTK корекцій в реальному часі з використанням технології NTRIP" (2007, №ДР 0107U008721), виконавець;

- НДР "Разработка алгоритмического обеспечения предварительной послесеансной обработки наблюдений ГЛОНАСС, включая контроль качества и целостности наблюдений " (2007-2008, №ДР 0107U008720), виконавець;

- інноваційного науково-технічного проекту "Інформаційно-вимірювальна GNSS система та мережна VRS-технологія забезпечення геодезичних і кадастрових зйомок у Закарпатті та Чернігівщині" (2007, №ДР 0107U006821), відповідальний виконавець;

- інноваційного науково-технічного проекту "Інформаційно-вимірювальна GNSS система та мережна VRS-технологія забезпечення геодезичних і кадастрових зйомок у Києві та Київській області" (2008, №ДР 0108U003130), відповідальний виконавець.

Мета і задачі дослідження

Мета роботи полягає у вдосконаленні відомих та створенні нових методів і засобів досягнення дециметрової точності диференціальної супутникової навігації та точного позиціювання у розрідженних мережах із можливістю підтримки як двочастотних, так і одночастотних ГНСС-приймачів.

Для досягнення поставленої мети були розв'язані наступні задачі:

1) обґрунтування принципів обробки вимірювальної інформації у розріджених мережах (базові відстані 300…500 км) для забезпечення високоточного позиціювання з використанням диференціального методу;

2) розробка методики і алгоритмів, що реалізують ефективне совокупне рішення для одночастотних і двочастотних спостережень наступних задач:

- формування мультиреференсних диференціальних корекцій;

- контроль цілісності супутникового сузір'я, контроль і забезпечення якості ГНСС-спостережень;

- згладжування кодових спостережень з використанням фазових.

3) розробка програмного забезпечення, що реалізує запропоновані методи обробки в післясеансному режимі обробки та способів організації реалізації мережної диференціальної навігації в умовах розріджених мереж станцій;

4) виконання експериментальних досліджень з метою доведення достовірності теоретичних результатів дисертації та оцінки точності позиціювання з використанням розроблених алгоритмів обробки ГНСС-спостережень. навігація станція мережа розріджений

Об'єкт дослідження - процес високоточного визначення місцеположення з використанням методів супутникової мережної диференціальної навігації у випадку розріджених мереж.

Предмет дослідження - методи та алгоритми попередньої обробки спостережень (контролю якості, усунення аномальних помилок, згладжування тощо), формування та використання мультиреференсних диференціальних корекцій в локальних і регіональних інформаційно-вимірювальних системах високоточної супутникової мережної диференціальної навігації дециметрового рівня точності з урахуванням особливостей реальної вимірювальної інформації.

Методи дослідження: методи математичного аналізу, теорії матриць, теорії супутникових радіонавігаційних систем, статистичної теорії оцінювання параметрів, метод математичного моделювання.

Наукова новизна отриманих результатів

1. Отримала подальшого розвитку методика досягнення дециметрового рівня точності визначення місцеположення у розріджених мережах з одночасним використанням трьох принципів:

- мультиреференсних алгоритмів формування диференціальних корекцій;

- всебічного контролю якості спостережень мережі контрольних станцій та користувачів;

- згладжування кодових спостережень за допомогою фазових спостережень, що теоретично і експериментально доведено. При цьому досягнуто дециметрової точності визначення місцеположення у робочій зоні мережі базових станцій із міжбазовими відстанями до 300…500 км.

2. На основі відомих підходів за рахунок зміни складу оцінюваних парметрів знайдено нове розв'язання задачі оптимізації алгоритмів мережної диференціальної навігації, що дозволило реалізувати формування мережних корекцій з використанням трьох та більше базових станцій та дозволяє забезпечити високоточні навігаційні визначення та визначення місцеположення користувачів також й у випадку їх знаходження поза межею мережі;

3. На основі багатокритеріального теоретичного аналізу та експериментальних досліджень спостережень отримали подальшого розвитку методи контролю цілісності робочого сузір'я навігаційних супутників, а також контролю і забезпечення якості кодових та фазових ГНСС-спостережень, що дозволило підвищити надійність визначення місцеположення;

4. Запропоновано нове рішення задачі згладжування одночастотних і двочастотних кодових спостережень з використанням безстрибкових фазових спостережень, яке дозволило значно (у 2...5 разів) зменшити похибки кодових спостережень із-за багатопроміневості і шумів та досягти рівня похибок 10…30 см (у залежності від інтервалу згладжування та рівня багатопроменевої похибки кодових спостережень), що дозволило наблизитися до точності фазових методів без виконання складної процедури розрізнення фазових невизначеностей.

Практичне значення отриманих результатів

1. Вперше (серед вітчизняних дослідників) проведено велику кількість експериментів по обробці ГНСС-спостережень на території України та інших країн з метою оцінки точності різних методів реалізації високоточної мережної та традиційної диференціальної навігації з використанням реальних спостережень одно- та двочастотних приймачів практично всіх відомих виробників ГНСС-апаратури геодезичного класу (NovAtel, Trimble, Leica, Ashtech, Topcon, Septentrio, Hemisphere, uBlox, Javad, ДП «Орізон-Навігація» та ін. - всього більше 2500 сеансів спостережень, що виконано у різних режимах). Це дозволяє стверджувати, що накопичено значний вітчизняний досвід проектування систем визначення місцеположення, що може бути використано розробниками подібних систем у практичній діяльності.

2. Розроблено важливі модулі вітчизняного програмного комплексу OCTAVA попередньої обробки спостережень, модельної тропосферної і іоносферної корекції спостережень та отримання кінцевого координатного рішення, що реалізують запропоновані алгоритми у післясеансному режимі обробки.

3. У ХНУРЕ при участі дисертанта створено багатофункціональну перманентну референцну (базову) ГНСС-станцію, що дозволяє виконувати забезпечувати користувачам різноманітні інформаційні послуги у сфері визначення точного місцеположення (геодезичні та кадастрові зйомки, ГІС, землеустрій, точна навігація тощо).

4. Результати дисертаційної роботи впроваджені при створенні інноваційного проекту інформаційно-вимірювальної ГНСС-системи підтримки геодезичних та кадастрових зйомок на території Київської, Чернігівської і Черкаської областей (ГАО НАНУ), при виконанні НДДКР на замовлення ВАТ «АТ НДІРВ», та НДР на замовлення «Інститут метрології», що виконувалися у ХНУРЕ.

5. Практичне використання результатів дисертаційної роботи підтверджується 3 актами впровадження.

Особистий внесок здобувача

Автором самостійно отримано основні результати дисертаційної роботи. У роботах, виконаних у співавторстві, авторові належать наступні результати.

У роботі [1] було запропоновано, а у роботах [3, 6] отримав подальшого розвитку мультиреференсний квазіоптимальний алгоритм формування диференціальних корекцій та алгоритм згладжування двочастотних та одночастотних спостережень.

У роботах [4, 6, 7] знайшли відображення запропоновані алгоритми контролю цілісності, контролю та забезпечення якості спостережень.

У роботі [2] було сформульовано рекомендації по побудові базових станцій для реалізації мережної диференціальної навігації, а у [5] наведено результати тестування базової станції ХНУРЕ, у створенні якої дисертант приймав участь.

Апробація результатів дисертації

Основні положення дисертаційної роботи обговорювалися на наступних міжнародних конференціях:

- 2nd International Conference GEOS 2007 (Чеська республіка, м. Прага, 2007р.);

- XIV-я Санкт-Петербурзька міжнародна конференція по інтегрованим навігаційним системам (м. Санкт-Петербург, 2007 р.);

- 3-я, 4-а Міжнародна науково-практична конференція «Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування - європейський досвід» (м. Чернігів, 2007, 2008 р.р.);

- VII-а Міжнародна науково-технічна конференція “АВІА-2006” (м. Київ, 2006 р.);

- сьома, дев'ята Міжнародна науково-практична конференція «Сучасні інформаційні і електронні технології» м. Одеса, 2006, 2008 р.р.);

- 1-а Міжнародна наукова конференція «Глобальні інформаційні системи. Проблеми і тенденції розвитку» (м. Харків, м. Туапсе, 2006);

- III-я Міжнародна наукова конференція «Сучасні проблеми радіотехніки та телекомунікацій РТ-2007» (м. Севастополь, 2007 р.);

- International Conference «Modern Problems of Radio Engineering, Telecommunications and Computer Science» TCSET'2006, TCSET'2008 (м. Львів, 2006, 2008 р.р.);

- 16-а Міжнародна Кримська конференція «НВЧ-техніка та телекомунікаційні технології» КриМіКо (м. Севастополь, 2006р.);

- 11-й Міжнародний молодіжний форум «Радіоелектроніка та молодь у XXI столітті» (м. Харків, 2007);

- третій Міжнародний Радіоелектронний Форум (МРФ-2008) «Прикладна радіоелектроніка. Стан та перспективи розвитку» (м. Харків, 2008).

Публікації

По тематиці дисертації всього опубліковано 21 наукових праць, зокрема 7 статей у провідних наукових фахових виданнях затверджених ВАК України, а також 14 праць наукових конференцій.

Структура та обсяг дисертації

Дисертація складається із вступу, чотирьох розділів, висновків, списку використаних джерел (157 найменувань), 5 додатків. Загальній обсяг роботи - 210 стор. (з них основний текст - 144 стор., додатки - 67 стор., 66 рисунків, 10 таблиць).

ОСНОВНИЙ ЗМІСТ ДИСЕРТАЦІЙНОЇ РОБОТИ

У вступі обґрунтовано актуальність та визначено мету роботи, коло розв'язуваних задач, відзначено практичну спрямованість, наукову новизну, описано структуру роботи і коротко викладений зміст її розділів. Наведено дані про впровадження роботи, особистий внесок автора й публікації.

У першому розділі дисертаційної роботи надано загальний опис та перспективи розвитку ГНСС, таких як GPS, ГЛОНАСC, Galileo, COMPASS/Beidou. Виконано аналіз сучасних вимог щодо точності та надійності координатних визначень, що пред'являються різними класами користувачів. Порівнянням вимог із можливостями показано, що на сучасному етапі розвитку ГНСС забезпечення необхідних експлуатаційних характеристик для великої кількості користувачів неможливо без впровадження сучасних мережних функціональних диференціальних доповнень ГНСС. При цьому, більшістю користувачів, що потребують підвищених експлуатаційних характеристик, вимогають рівня точності у межах від 1 метра до 1 дециметра (субметровий-дециметровий рівень точності).

Модернізація існуючої на території України розрідженої мережі ГНСС-станцій із базовими відстанями 130…500 км, що складається з 12 перманентних референцних станцій, або аналогічних мереж, потребує значних зусиль для їх переобладнання та створення інфраструктури обслуговування користувачів для можливості застосування цих систем.

Показано, що сформульована у вступі мета та задачі дослідження є актуальними не тільки для України, але й для інших країн з аналогічним станом розвитку національних ГНСС-мереж.

У другому розділі дисертаційної роботи вирішена одна з сформульованих задач дослідження - розробка нового алгоритму формування мультиреференсних диференціальних корекцій, який є способом розрахунку вектора вагових коефіцієнтів до диференціальних поправок j-го навігаційного супутника окремих базових станцій. Оптимізація алгоритму виконана на основі відомого методичного підходу та була спрямована, згідно прийнятому підходу, на мінімізацію ефемеридних та частотно - часових похибок навігаційних супутників.

Відомо, що при виконанні умови відбувається повна компенсація похибки синхронізації шкал часу супутників у спостереженнях користувача, де - одиничний вектор.

В ході досліджень було запропоновано алгоритм, згідно якому формування вагового вектору виконується таким чином, щоб мінімізувати лише ефемеридні похибки навігаційних супутників

де - матриця часткових похідних, ;

М - кількість базових станцій, що формують диференціальні поправки;

де - оцінки часткових похідних псевдовідстаней по координатах j-го супутника (спрямовуючі косинуси вектора i-та базова станція - j-й супутник в прямокутній системі координат), тобто

де - оцінки координат i-ї базової станції;

- вектор спрямовуючих косинусів користувач - j-й супутник, що формуються аналогічно до .

В той же час було встановлено, що при оцінюванні тільки ефемеридних похибок супутників (квазіоптимальний алгоритм) сума вагових коефіцієнтів диференціальних поправок базових станцій відрізняється від одиниці на величину , що дорівнює

Однак, як показали дослідження, величина для мережі з 3...5 станцій на території України не перевищує одиниць четвертого знаку. Це означає, що залишкова максимальна похибка компенсації частотно-часових супутникових похибок не перевищує кількох сантиметрів. Це є задовільно для бажаного дециметрового рівня точності позиціювання.

Викладено методику оцінку точності позиціювання розробленого нового алгоритму формування мультиреференсних диференціальних корекцій та порівняння із відомими алгоритмами. Запропонована методика базується на застосуванні алгоритмів до реальної вимірювальної інформації та порівнянням координатного рішення із еталонними значеннями, що дозволяє уникнути помилок, які можуть виникнути при математичному моделюванні із-за неможливості урахування всіх факторів, що впливають у дійсності.

Для виконання умови можливості застосування мультеференсних алгоритмів, а також з метою отримання достовірних результатів до всіх спостережень було застосовано комплекс алгоритмів попередньої обробки, що включає в себе набір розроблених алгоритмів контролю цілісності, контролю та забезпечення якості спостережень, які описані у третьому розділі. В тому ж розділі описано алгоритми згладжування кодових спостережень за допомогою фазових, які були використані для зменшення шумової похибки та похибки багатопроміневості.

Наведено результати оцінки точності відомих та розробленого алгоритмів формування мультиреференсних диференціальних корекцій, що було виконано згідно запропонованої методики. Для тестування розробленого комплексу алгоритмів (алгоритмів формування мультиреференсних диференціальних корекцій; контролю цілісності, контролю та забезпечення якості спостережень; згладжування кодових спостережень за допомогою фазових) було використано спостереження різних мереж станційна території України, так і за кордоном (Європа, ПАР, США, Антарктика та ін.), базової ГНСС-станції ХНУРЕ. Накопичений набір двочастотних та одночастотних спостережень включає в себе найбільш характерні випадки:

- розріджені та нерозріджені мережі базових станцій;

- спостереження мереж станцій для різних сезонів року;

- спостереження у статичному та кінематичному режимах (пішохід, автомобіль, повітряне судно, морське судно).

Було підтверджено, що реалізація мультиреференсного режиму дозволяє значно підвищити точність по відношенню до випадку традиційного однобазового диференціального режиму з використанням найближчої базової станції. При використанні згладжених кодових спостережень за допомогою фазових точність підвищується до 1,5...2 разів.

Показано, що при реалізації запропонованої методики мультиреференсного режиму з використанням 3...5 або більше базових станцій можливо досягнення точності 10…20 см (інтервал довіри - 95%) для планових координат і 20...50 см по вертикалі для випадку кінематичних спостережень (рис. 1) та 5…10 см для планових координат і 15...30 см по вертикалі у статичного режиму з усередненням за часом у розрідженій мережі з базовими відстанями до 300…500 км як для одночастотних, так і для двочастотних спостережень. Використання виключно кодових спостережень без згладжування дозволяє досягти субметрової точності визначення планових координат (50...95 см).

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 1 Приклад часової залежності нев'язок координатного рішення відносно еталону (приймач встановлено на борту повітряного судна при виконанні аерофотограметрії) зліва направо по складовим широти, довготи та висоти у метрах; тривалість сеансу - 3 години

У випадку знаходження користувача поза зоною покриття мережі базових станцій запропонований новий алгоритм практично не збільшує шумову складову визначень порівняно із традиційним однобазовим диференціальним методом.

Аналіз отриманих результатів показав, що основними факторами, що обмежують можливості запропонованої методики визначення місцеположення, є похибки згладжування кодових за допомогою фазових спостережень, що обумовлені багатопроміневими та шумовими похибками кодових спостережень, а також недостатнє зменшення іоносферної похибки при використанні відомих моделей. Запропоновано можливий шлях усунення викидів оцінок координат та підвищення точності координатних визначень з використанням додаткової інформації, яка може бути отримана шляхом оцінювання збільшень координат по виключно фазовим спостереженням. Підвищення точності урахування іоносферної затримки може бути досягнуто шляхом заміни моделювання на оцінку одним з відомих методів.

У третьому розділі дисертаційної роботи на основі аналізу спостережень запропоновано низку нових і удосконалених алгоритмів, що дозволили вирішити задачу контролю цілісності сузір'я навігаційних супутників, контролю та забезпечення якості кодових та фазових ГНСС-спостережень.

Запропоновано новий алгоритм поточкового рішення навігаційної задачі з оцінкою нев'язок при умові забезпечення надмірності вимірювальної інформації, який дозволяє виявляти аномальні значення кодових псевдовідстаней. Показано, що даний алгоритм при обробці спостережень мережі станцій в комплексі із розробленим алгоритмом контролю ефемеридно-часової інформації навігаційних супутників, може бути основою для побудови алгоритмів контролю цілісності глобальних супутникових навігаційних систем.

Розроблено новий алгоритм виявлення аномальних відліків та ділянок фазових спостережень, що базується на статистичному аналізі кодово-фазових лінійних комбінацій, як за часом, так й по супутникам. На основі експериментальних даних показано, що розроблений алгоритм дозволяє надійно виявляти та усувати ділянки спостережень, що отримані під час вимірювань у складних умовах (дія радіозавад, низьке співвідношення сигнал/шум, збої у роботі приймача тощо). Також запропоновано алгоритм аналізу відомих іоносферних комбінацій, що дозволяє виявляти аномалії слідкування за кодовими спостереженнями двочастотних приймачів.

Запропоновано модифікацію відомого алгоритму виявлення, оцінки та усунення фазових циклічних стрибків, обумовлених помилками у роботі схем фазових вимірювань. Експериментальні дослідження показали, що окрім широко відомих цілочисельних стрибків, у фазових спостереженнях можуть виникати стрибки, які кратні половині циклу, що характерно для вимірювань в умовах низького співвідношення сигнал/шум. Крім того, у випадку швидких змін співвідношення сигнал/шум під час виконання фазових вимірювань можуть спостерігатися нелінійні ефекти, що обумовлені інерційністю кіл слідкування ГНСС-приймача. Такі тонкі ефекти мало досліджені і не описані у відкритій літературі, але наводяться у деяких звітах провідних закордонних виробників ГНСС-обладнання. Обробка фазових спостережень з урахуванням можливостей виникнення цих ефектів дозволила значно підвищити якість відновлення безперервності фазових спостережень.

Рис. 2 Ілюстрація розкиду рішення GrafNAV для планових складових координат до (ліворуч) та після (праворуч) контролю якості з використанням розроблених алгоритмів

Експериментально показано (рис. 2), що застосування розробленого комплексу алгоритмів контролю цілісності сузір'я навігаційних супутників, контролю та забезпечення якості спостережень дозволяє значно підвищити надійність, а також і точність визначення місцеположення, навіть з використанням відомих програмних продуктів кращих закордонних виробників, що застосовуються для виконання еталонних задач (сантиметровий - міліметровий рівень точності), таких як BERNESE, GAMIT/GLOBK, GrafNAV/GrafNET та інших.

Запропоновано нове рішення задачі згладжування одночастотних і двочастотних кодових спостережень, що, на відміну від відомих, використовує безстрибкові фазові спостереження, що дозволило значно (у 2...5 разів) зменшити похибки кодових спостережень із-за багатопроменевості та шумів і досягнути рівня похибок 10...30 см (залежно від тривалості інтервалу згладжування та рівня багатопроменевості). Запропоноване рішення базується на наступних принципах:

- використання для післясеансної обробки так званої операції «levelling» (підбір рівня) з використанням відомого Hatch-підходу, що дозволяє ефективно використовувати всю наявну вимірювальну інформацію супутника на інтервалі видимості;

- попереднє надійне усунення фазових циклічних стрибків, що дає можливість використання згладжування на інтервалах великої тривалості;

- підбір рівня фазових спостережень (за методом найменших квадратів - МНК) відносно кодових з використанням лінійних комбінацій, що дозволяють усунути вплив іоносферних затримок (для двочастотних спостережень);

- для одночастотних спостережень динаміка змінення іоносферних похибок може бути оцінена шляхом МНК-згладжування кодово-фазових лінійних комбінацій, що також може бути використано для оцінки іоносферних затримок одночастотних користувачів.

Це дозволило наблизитися до точності фазових методів без виконання складної процедури розрізнення фазових невизначеностей.

Четвертий розділ дисертаційної роботи присвячено питанням практичного застосування розробленого комплексу алгоритмів.

Розглянуто можливості передавання диференціальних корекцій у реальному часі. Проаналізовано потенційні можливості використання протоколу NTRIP для організації високоточної диференціальної навігації. Запропоновано можливі канали зв'язку, що можуть використовуватися для різних застосувань. Представлені результати експериментальних робіт по передаванню диференціальних корекцій з використанням протоколу NTRIP, які було проведено з участю дисертанта у 2006-2008 роках на території України.

Наведено стислий опис програмного комплексу OCTAVA (розроблений у рамках робіт ГАО НАНУ, свідоцтво Державного департаментуінтелектуальної власності України про реєстрацію авторського права на твір № 24507 від 20.05.08), важливими елементами якого є реалізовані у середовищі MatLab запропоновані алгоритми контролю та забезпечення якості спостережень, згладжування кодових спостережень, формування мультиреференсних диференціальних корекцій.

Базовий програмно-алгоритмічний комплекс, що реалізовано у системі MatLab, OCTAVA містить в собі дві групи сценаріїв (програм обробки):

- попередньої обробки, аналізу і контролю якості спостережень базових станцій і спостережень споживачів;

- точного визначення місцеположення споживачів.

Програми попередньої обробки ГНСС-спостережень дозволяють виконувати автоматизована попередня обробка спостережень перманентних і базових станцій і роверных приймачів у статичному режимі роботи та кінематичних спостережень.

Особливістю програм попередньої обробки OCTAVA_PPA є те, що в них можливе практично повне усунення фазових циклічних стрибків для одночастотних або двочастотних ГНСС-спостережень, виконання всебічного контролю якості кодових та фазових спостережень та ефемеридної информації навігаційних супутників, виділення й оцінка багатопроменевий складової кодових спостережень, виконання ряду інших важливих операцій попередньої обробки з наступним формуванням RINEX-файлів. Це дає можливість не тільки оціннювати якість ГНСС-спостережень, але й вікористовувати їх их для наступної обробки з використанням у будь-якому програмному забезпеченні, що підтримує стандарт RINEX.

Набір програм ПАК OCTAVA точного позиціювання виконує згладжування кодових за допомогою фазових спостережень після попередньої обробки та позиціювання дециметрової точності з використанням окремої базової станції або мереж базових станцій.

При участі дисертанта на кафедрі основ радіотехніки ХНУРЕ створено багатофункціональну ГНСС-станцію, яка функціонує безперервно починаючи з 2007 року. Основою апаратно-програмного комплексу станції є двочастотний GPS/EGNOS/OmniStar приймач NovAtel ProPak-LB. Просторові координати приймальної антени періодично визначаються у загальноземній системі координат ITRF-2005 із точністю 3…5 мм. Розроблений програмний комплекс станції виконує накопичення, перетворення вимірювальної інформації у файли стандарту RINEX, контроль якості спостережень з використання програми TEQC та розробленого програмного комплексу OCTAVA. Організовано доступ до вимірювальної інформації через FTP-сервер. Розповсюдження DGPS/RTK диференціальних корекцій (субметрова/сантиметрова точність визначення місцеположення), що генеруються приймачем, виконується з використанням технології NTRIP через мережу Internet.

Сформульовані можливі напрямки подальших досліджень запропонованої методики визначення місцеположення.

ВИСНОВКИ

В дисертації вирішено актуальну науково-прикладну задачу досягнення дециметрової точності диференціальної супутникової навігації і точного позиціювання за рахунок подальшого розвитку та створення нових методів обробки ГНСС-інформації, що дозволило забезпечити такий рівень точності визначення місцеположення у розріджених мережах з використанням як двочастотних, так і одночастотних ГНСС-приймачів. При цьому отримано наступні нові теоретичні та практичні результати.

1. В області теорії отримала подальшого розвитку методика досягнення дециметрової точності визначення місцеположення, що базується на вирішених у дисертації наступних взаємопов'язаних задачах:

- на основі відомих підходів за рахунок зміни складу оцінюваних парметрів знайдено нове розв'язання задачі оптимізації алгоритмів мережної диференціальної навігації, що дозволило реалізувати формування мережних корекцій з використанням трьох та більше базових станцій та дозволяє забезпечити високоточні навігаційні визначення та визначення місцеположення користувачів також й у випадку їх знаходження поза межею мережі;

- на основі багатокритеріального теоретичного аналізу та експериментальних досліджень спостережень отримали подальшого розвитку методи контролю цілісності робочого сузір'я навігаційних супутників, а також контролю і забезпечення якості кодових та фазових ГНСС-спостережень, що дозволило підвищити надійність визначення місцеположення;

- запропоновано нове рішення задачі згладжування одночастотних і двочастотних кодових спостережень з використанням безстрибкових фазових спостережень, яке дозволило значно (у 2...5 разів) зменшити похибки кодових спостережень із-за багатопроміневості і шумів та досягти рівня похибок 10…30 см (у залежності від інтервалу згладжування та рівня багатопроменевої похибки кодових спостережень), що дозволило наблизитися до точності фазових методів без виконання складної процедури розрізнення фазових невизначеностей.

2. В області експериментальних досліджень:

- вперше проведено велику кількість експериментів по обробці спостережень, що виконано на території України та інших країн світу, по оцінці точності різних методів реалізації високоточної мережної та традиційної диференціальної навігації з використанням реальних спостережень одно- і двочастотних ГНСС-приймачів різних класів практично всіх світових виробників;

- розроблено рекомендації по побудові систем забезпечення високоточної навігації з використанням диференціального методу у випадку розріджених мереж.

3. В області створення засобів ГНСС:

- розроблено програмний комплекс попередньої обробки спостережень та отримання кінцевого координатного рішення з використанням запропонованих алгоритмів у післясеансному режимі обробки (програмний комплекс OCTAVA, розроблений у рамках робіт ГАО НАНУ);

- створено багатофункціональну базову ГНСС-станцію ХНУРЕ, що дозволяє виконувати різні експериментальні роботи у сфері точних координатних визначень.

4. Напрямок подальших досліджень запропонованої методики визначення місцеположення, на погляд автора, полягає у наступному:

- удосконаленні та розвиток розроблених алгоритмів та програмного забезпечення попередньої обробки і контролю якості спостережень та навігаційних визначень, алгоритмів мультіреференцної корекції спостережень;

- адаптації розробленого алгоритмічного забезпечення для обробки в режимі реального часу;

- удосконаленні методів згладжування кодових спостережень та їх «без геометричних» лінійних комбінацій з використанням фазових вимірювань, реалізація алгоритмів оцінювання реальних поточних мережевих моделей іоносферних затримок та їх урахування в спостереженнях (заміна моделювання на оцінку параметрів іоносфери) з метою підвищення точності координатних визначень.

5. Результати дисертаційної роботи впроваджено при виконанні у 2007-2008 роках інноваційного проекту по розробці інформаційно-вимірювальної ГНСС-системи підтримки геодезичних та кадастрових зйомок на території Київської, Чернігівської і Черкаської областей (ГАО НАНУ, м.Київ), при виконанні НДДКР на замовлення ВАТ «АТ НДІРВ» (м.Харків), та НДР, що виконувалися у Національному авіаційному університеті (м.Київ), що підтверджено 3 відповідними актами впровадження.

СПИСОК ОПУБЛІКОВАНИХ ПРАЦЬ ЗА ТЕМОЮ ДИСЕРТАЦІЇ

1. Жалило А.А. Достижение дециметровой точности в режиме мультиреференцной дифференциальной навигации с использованием наблюдений перманентных референцных GPS-станций [Текст] / А.А. Жалило, Д.А. Шелковенков, В.М. Шокало // Всеукраинский научно-технический сборник «Радиотехника». 2006. Вып. 145. С. 76-83.

2. Применение спутниковой навигации в научных исследованиях и учебном процессе кафедры ОРТ [Текст] / В.М. Шокало, А.А. Жалило, Ю.А. Коваль, В.В. Бавыкина, Г.В. Нестеренко, Д.А. Шелковенков // Всеукраинский научно-технический сборник «Радиотехника». 2006. Вып. 146. С. 99-106.

3. Гринченко Е.В. Один из подходов к формированию дифференциальных поправок на основе совместной обработки измерений сети контрольно-корректирующих станций [Текст] / Е.В. Гринченко, Д.А. Шелковенков // Прикладная радиоэлектроника. 2006. Том 5. № 4. С. 536 - 540.

4. Разработка методики оценки качества фазовых калибровок GPS-антенн геодезического класса. Предварительные результаты экспериментальных исследований [Текст] / А.А. Жалило, А.А. Желанов, Д.А. Шелковенков, В.М. Шокало // Всеукраинский научно-технический сборник «Радиотехника». 2007. Вып. 148. С. 186-198.

5. Результати екпериментальних досліджень реалізації DGPS/RTK режиму супутникового позицювання з використанням NTRIP-технології [Текст] / Д. Шелковєнков, О. Желанов, В. Шокало, В. Кондратюк, М. Литвин, С. Флерко, В. Черевко // Збірник наукових праць Західного геодезичного товариства УТГК "Сучасні досягнення геодезичної науки та виробництва". 2008. Вип. 1(15). С. 125-132.

6. Шелковєнков Д.О. Результати експериментальних досліджень точності траєкторних GPS/GNSS вимірю-вань при виконанні аерофотозйомки з використанням програмних комплексів «OCTAVA» та «GRAFNAV/GRAFNET^TM» [Текст] / Д.О. Шелковєнков, О.О. Желанов, О.О. Жаліло // Всеукраинский научно-технический сборник «Радиотехника». 2008. Вып. 152. С. 172-184.

7. Экспериментальная оценка возможности выполнения автоматизированного GNSS - мониторинга динамики подвижек техногенно - опасных объектов. результаты предварительных исследований [Текст] / А.А. Жалило, А.А. Желанов, Д.А. Шелковенков, В.М. Шокало // Вісник Державного університету інформаційно - комунікаційних технологій. 2008. Том 6 (3). С. 223 - 229.

8. Formation in KhNURE of the Scientific-Educational Laboratory of Processing and Analysis of Measuring information of GPS/EGNOS Reference Stations, Navigation and Geodetic User Receivers: матеріали міжн. конф. [«Сучасні проблеми радіоелектроніки, телекомунікацій, комп'ютерної інженерії»], (Львів-Славсько, 28 лют. 4 бер. 2006 р.) / М-во освіти і науки України - Національний університет «Львівська політехніка» - Л.: Національний університет «Львівська політехніка», 2006 р. С. 1-4.

9. О контроле качества двухчастотных GPS-наблюдений на этапе предварительной обработки: праці міжн. наук.-практ. конф. [«Сучасні інформаційні та електронні технології»], (Одеса, 22 - 26 травня 2006 р.) / М-во освіти і науки України - Одеський національний політехнічний університет - О.: «ВМВ», 2006. Т.1. С. 233.

10. О создании системы мониторинга навигационных характеристик GPS/EGNOS на территории Украины: матеріали міжн. конф. [«Глобальні інформаційні системи. Проблеми та тенденції развитку»], (Харків-Туапсе, 3 - 6 жовтня 2006 р.) / М-во освіти і науки України - Харківський національний університет радіоелектроніки - Х.: Харківський національний університет радіоелектроніки, 2006. С. 397-398.

11. Экспериментальная оценка точности GPS-навигации и геодезической съемки в г. Киеве с использованием дифференциальных VBS&HP-коррекций: матеріали міжн. наук.-техн. конф. [«АВІА-2006»], (Київ, 25 - 27 вересня 2006 р.) / М-во освіти і науки України - Національний авіаційний університет - К.: Національний авіаційний університет, 2006. Т. 1. С. 21.1 - 21.4.

12. Сетевые спутниковые технологии точного местоопределения, планы и предварительные результаты исследований и разработок: матеріали конф. [«СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» КрыМиКо'2006»], (Севастополь, 11 - 15 вересня 2006 р.) / Міжнародна Кримська конференція «СВЧ-техника и телекоммуникационные технологии» (КрыМиКо'2009)». Сев.: Вебер, 2006. Т.1. С. 342-345.

13. Features and service performance of multifunctional software toolkit “OCTAVA” for processing and analysis of GPS/GNSS observations: зб. праць міжн. конф. [«GEOS 2007»], (Прага, 1 - 3 квітня 2007 р.) / Research Institute of Geodesy, Topography and Cartography - Prague: Research Institute of Geodesy, Topography and Cartography, 2007. С. 102-110.

14. Базовая GPS/EGNOS-станция Харьковского национального университета радиоэлектроники (SURE): зб. наук. праць міжн. нак.-практ. конф. [«Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування - європейський досвід»], (Чернігів, 23 - 25 травня 2007 р.) / М-во освіти і науки України - Чернігівський державний інститут економіки і управління - Чернігів.: Чернігівський державний інститут економіки і управління. Чернігів, 2007. Вип. 3. С. 30-33.

15. Контроль качества кодовых и фазовых GPS-наблюдений на этапе предварительной обработки: матеріали міжн. конф. [«Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам»], (Санкт-Петербург, 28 - 30 травня 2007 р.) / Держ. наук. центр РФ - Центральний науково-дослідний інститут «Электроприбор». С.-Пб.: Центральний науково-дослідний інститут «Электроприбор», 2007. С. 310-312.

16. “OCTAVA”: многофункциональный программный инструментарий обработки и анализа GPS/GNSS наблюдений: матеріали міжн. конф. [«Санкт-Петербургская международная конференция по интегрированным навигационным системам»], (Санкт-Петербург, 28 - 30 травня 2007 р.) / Держ. наук. центр РФ - Центральний науково-дослідний інститут «Электроприбор». С.-Пб.: Центральний науково-дослідний інститут «Электроприбор», 2007. С. 319-321.

17. Оценка качества фазовых калибровок GPS-антенн геодезического класса: зб. праць міжн. наук. конф. [«Современные проблемы радиотехники и телекоммуникаций РТ-2007»], (Севастополь, 16 - 21 квітня 2007 р.) / М-во освіти і науки України - Севастопольський національний технічний університет. Сев.: Севастопольський національний технічний університет, 2007. С. 133.

18. Методика проверки качества фазовых калибровок GPS-антенн в конкретных условиях эксплуатации: зб. праць конференції [«Радиоэлектроника и молодежь в XXI веке»], (Харків, 10 - 12 квітня 2007 р.) / М-во освіти і науки України - Харківський національний університет радіоелектроніки. Х.: Харківський національний університет радіоелектроніки, 2007. С. 50.

19. Інформаційно-вимірювальна GNSS система та мережна VRS технологія забезпечення геодезичних і кадастрових зйомок: зб. наук. праць міжн. нак.-практ. конф. [«Новітні досягнення геодезії, геоінформатики та землевпорядкування - європейський досвід»], (Чернігів, 21 - 23 травня 2008 р.) / М-во освіти і науки України - Чернігівський державний інститут економіки і управління - Чернігів.: Чернігівський державний інститут економіки і управління - Чернігів, 2008. Вип. 4. С. 5-24.

20. Обоснование и верификация способов высокоточного определения координат и эллипсоидальной высоты с использованием ГНСС-технологий в задаче создания гравиметрических пунктов: праці міжн. наук.-практ. конф. [«Сучасні інформаційні та електронні технології»], (Одеса, 19 - 23 травня 2008 р.) / М-во освіти і науки України - Одеський національний політехнічний університет. О.: «ART-V», 2008. Т.1. Одесса. С. 228.

21. Точностные характеристики реализации режима точного позиционирования РРР в программном комплексе «GRAFNAV/ GRAFNET TM». Предварительные результаты: зб. наук. праць міжн. конф. [«Сучасні та перспективні системи, радіолокації, радіоастрономії та супутникової навігації»], (Харків, 22 - 24 жовтня 2008 р.) / М-во освіти і науки України - Харківський національний університет радіоелектроніки. Х.: АНПРЕ, 2008. Т.1. С. 362-365.

АНОТАЦІЯ

Шелковєнков Д.О. Розвиток методів мережної супутникової диференціальної навігації. - Рукопис.

Дисертація на здобуття ступеня кандидата технічних наук за фахом 05.12.17 - Радіотехнічні та телевізійні системи. - Харківський національний університет радіоелектроніки, Харків, 2009.

В дисертації вирішено актуальну науково-прикладну задачу досягнення дециметрової точності диференціальної супутникової навігації і точного позиціювання за рахунок подальшого розвитку та створення нових методів обробки ГНСС-інформації, що дозволило забезпечити такий рівень точності визначення місцеположення у розріджених мережах з використанням як двочастотних, так і одночастотних ГНСС-приймачів.

Ідея дисертаційної роботи полягає в досягненні необхідної точності та надійності позиціювання за рахунок зменшення часткових похибок спостережень користувачів шляхом комплексного використання нових раціональних методів обробки та контролю і забезпечення якості вимірювальної інформації. При цьому досягнуто точності 1...2 дм (95%) по горизонтальним координатам та 3...5 дм (95%) по вертикальним у робочій зоні мережі контрольних станцій із базовими відстанями до 300…500 км.

Достовірність наукових результатів і висновків, сформульованих у дисертації доведено, насамперед, експериментальною перевіркою основних наукових положень роботи.

Ключові слова: глобальні навігаційні супутникові системи, диференціальна навігація, базова станція, алгоритм, точність, надійність, спостереження, цілісність, якість, похибка.

АННОТАЦИЯ

Шелковенков Д.А. Развитие методов сетевой спутниковой диференциальной навигации. - Рукопись.

В диссертации решена актуальная научно-прикладная задача достижения дециметровой точности дифференциальной спутниковой навигации и точного позиционирования за счет дальнейшего развития и создания новых методов обработки ГНСС-информации, что позволило обеспечить обеспечить такой уровень точности определения местоположения в разреженных сетях с возможностью поддержки как двухчастотных, так и одночастотных ГНСС-приёмников.

Идея диссертации заключается в достижении необходимой точности и надёжности определения местоположения за счёт уменьшения частных погрешностей наблюдений потребителей путём комплексного использования новых рациональных методов обработки, контроля и обеспечения качества измерительной информации. При этом достигнута точность 1...2 дм (95%) по горизонтальным координатам и 3...5 дм (95%) по вертикальным в рабочей зоне сети контрольных станций с базовыми расстояниями до 300…500 км.

На основе известных подходов за счет изменения состава оцениваемых парметров найдено новое решение задачи оптимизации алгоритмов сетевой дифференциальной навигации, которое позволило реализовать формирование сетевых коррекций с использованием трех и более базовых станций и позволяет обеспечить высокоточные навигационные определения и определение местоположения пользователей также и в случае их нахождения вне границы сети.

На основе багатокритериального теоретического анализа и экспериментальных исследований ГНСС-наблюдений получили дальнейшее развитие методы контроля целостности рабочего созвездия навигационных спутников, а также контроля и обеспечения качества кодовых и фазовых ГНСС-наблюдений, что позволило повысить надежность определения местоположения.

Предложено новое решение задачи сглаживания одночастотных и двухчастотных кодовых наблюдений, которое в отличии от известных использует бесскачковые фазовые наблюдения, что позволило значительно (в 2..5 раз) уменьшить погрешности кодовых наблюдений из-за многолучевости и шумов и достигнуть уровня погрешностей 10…30 см.

Достоверность научных результатов и выводов, сформулированных в диссертации, доказана, прежде всего, экспериментальной проверкой основных научных положений работы.

Рассмотрены вопросы практического применения разработанного комплекса алгоритмов на основе созданных при участии диссертанта базовой ГНСС станции ХНУРЭ, программного комплекса OCTAVA и прототипа системы поддержки геодезической и кадастровой съёмки на территории Киевской, Черниговской и Черкасской областей.

Ключевые слова: глобальные навигационные спутниковые системы, дифференциальная навигация, базовая станция, точность, надёжность, наблюдения, целостность, качество, погрешность.

ABSTRACT

Shelkovenkov D.A. "Development of methods of network satellite differential navigation ". - a Manuscript.

...