Специальность: Инженерная геодезия
Тема работы магистра: "Исследование структуры данных спутниковых наблюдений и разработка системы их обработки и уравнивания. "
Руководитель: доц. Петрушин Александр Геннадьевич
E-mail: spycina@spycina.com
Применение средств космической навигации для управления в сложных технических системах предъявляет высокие требования к программно-аппаратному комплексу аппаратуры потребителя. Данная работа выполнена в рамках исследований, направленных на изучение возможности применения средств космической навигации для управления КА. Предложен алгоритм определения вектора состояния потребителя и уточнения времени регистрации сигнала по измерениям псевдодальности и псевдоскорости. Получены статистические характеристики определения параметров на месячном интервале ежесекундных измерений.
Объем информации, получаемый в результате тематической обработки данных GPS-приемников, постоянно увеличивается, поэтому на первый план выходят задачи ее анализа, оптимизации и структуризации. Существующее программное обеспечение (как коммерческое, так и бесплатное) обработки данных GPS-приемников нацелено на решение узкоспециализированных задач. Требуется решить взаимосвязанный круг задач от организации структуры экспериментальных данных до алгоритмов и методов обработки и анализа полученной информации. Адаптация же существующих решений сопоставима с разработкой программного обеспечения с нуля.
Особенность построения спутниковой радионавигационной системы (СРНС) заключается в том, что координаты любого подвижного объекта можно определить по радиосигналам навигационных искусственных спутников Земли (ИСЗ). Для этого необходимо знать их точное положение в пространстве. Поэтому в излучаемых ИСЗ радиосигналах содержится информация о текущих координатах (эфемериды), которые определяются наземными станциями слежения и контроля. Траектории движения ИСЗ проходят по опорным орбитам и подчиняются законам небесной механики, однако из-за сопротивления атмосферы, влияния аномалий гравитационного поля Земли, солнечного ветра и других факторов фактическое движение ИСЗ отклоняется от расчетного. С помощью системы слежения и контроля периодически уточняется местоположение ИСЗ, прогнозируется их движение, после чего эфемеридная информация по радиоканалу передается на бортовую ЭВМ навигационных ИСЗ. Таким образом, для нормального функционирования и поддержки СРНС требуются значительные материальные затраты. В настоящее время для использования доступны лишь две системы - российская ГЛОНАСС (ГЛОбальная НАвигационная Спутниковая Система) и американская GPS (Global Positioning System — Глобальная Система Позиционирования). [1]
В состав GPS входят созвездие ИСЗ (космический сегмент), сеть наземных станций слежения и управления (сегмент управления) и собственно GPS-приемники (аппаратура потребителей).
Космический сегмент GPS номинально состоит из 24 спутников, обращающихся вокруг Земли в шести орбитальных плоскостях. Форма орбит близка к круговой, с высотой над поверхностью Земли порядка 20 000 км и периодом обращения около 12 ч. Наклонение орбиты относительно экватора 55°. Такое количество и расположение спутников обеспечивает в любой точке поверхности Земли прием радионавигационных сигналов от 4 до 11 ИСЗ. [2]
Навигационные сообщения спутников, позволяющие определять их координаты, разделяются на два вида: эфемеридные, или оперативные данные и данные альманаха (календаря). Эфемеридные данные позволяют вычислять точное местоположение спутника, которое далее используется для определения координат потребителя. Каждый спутник передает свои эфемеридные данные. Помимо эфемерид со всех спутников системы передаются данные альманаха.
Они также позволяют определять местоположение спутника, но с гораздо меньшей точностью. Данные альманаха применяются для решения вспомогательных задач в аппаратуре потребителя: определение спутников, находящихся в зоне видимости, вычисление целеуказаний аппаратуре для облегчения вхождения в связь и т.д. Каждый спутник передает данные альманаха обо всех спутниках системы, в том числе и о себе.
Следует отметить, что системы ГЛОНАСС и GPS для описания положения спутников и определяемых по ним объектов пользуются пространственными координатами X, Y, Z. От них переходят к геодезическим координатам (широте В, долготе L и высоте Н над эллипсоидом) и затем - к плоским прямоугольным координатам х, у проекции Гаусса-Крюгера. При этом приходится учитывать, что в различных спутниковых системах пользуются разными координатными системами. Так в GPS используется система координат WGS-84, принятая в США и ряде других стран, а в ГЛОНАСС - своя система координат (ПС-90). И обе они отличаются от принятой в России системы координат. Поэтому в ходе пользования спутниковыми системами приходится решать задачу перехода от одной системы координат к другой.
Наиболее современные приемники сохраняют наблюдения во внутренней памяти, тогда как более старые приемники выводят их на флоппи-диск или на ленту. Первый шаг обработки заключается в переписывании данных из приемника на жесткий диск компьютера. Переписывание выполняется с помощью программ, поставленных производителем. Файлы наблюдений для данной сессии содержат фазы и другие наблюдаемые величины, бортовые эфемериды и данные для станции - идентификатор станции, высоту антенны и, возможно, навигационное положение.
Главной задачей при передачи файлов является обеспечение правильности наименования файлов и значения высоты антенны, чего можно достичь применением формы резюме, содержащей назначение сессиям станций, измеренных высот антенн, стартовых и стоповых моментов сессий.
Большинство программ обработки автоматически извлекает высоту антенны из файла данных для пункта, хранимых в приемнике. После исправления названий различных файлов следует проверить и исправить все высоты антенн.
В настоящее время обработка наблюдений выполняется обычно в пакетном режиме. Все пакетные файлы создаются на основе трех- или четырех- символьных идентификаторов пунктов, так что первой задачей при обработке GPS данных является обеспечение правильного наименования всех пунктов.[3]
Погрешности определения координат (точностные характеристики)
Система GPS, как и любая другая, не является идеальной и подвержена различного рода воздействиям, приводящим в итоге к снижению точности позиционирования. Требования к точности измерений во многом определяется характером задач. Факторы, влияющие на работу GPS, носят как естественный (связанный с процессами распространения радиоволн), так и технический характер (несовершенство приемной аппаратуры). Более того, существует возможность искусственного глушения сигналов GPS.
К факторам технического характера относятся погрешности часов приемника и ИСЗ, ошибки вычисления эфемерид и инструментальная погрешность приемника. При всей точности временных эталонов ИСЗ существует некоторая погрешность шкалы времени аппаратуры спутника. [4]
Качество функционирования СРНС ограничено влиянием среды околоземного космического пространства. Наибольшая погрешность при прохождении радиосигнала на трассе «спутник-Земля» вносится ионосферой. Возникающие при этом задержки в первом приближении являются мерой полного электронного содержания (ПЭС) вдоль траектории распространения радиосигнала.
В современных GPS приёмниках используют всевозможные алгоритмы устранения этих задержек.. Для одночастотной аппаратуры ГЛОНАСС/GPS разработаны различные модели и алгоритмы, в том числе региональная модель полного электронного содержания с адаптивной структурой, использующая в качестве входных параметров текущие измерения ионосферной задержки.
Методы обработки данных GPS-измерений
При работе с данными приемников GPS исследователь обязательно сталкивается с необходимостью применения определенных методов обработки данных, как весьма общих, так и разработанных специально для системы GPS. Основными методами при работе с данными GPS-приемников являются : • определение полного электронного содержания в ионосфере по данным приемников GPS; • определение углов места и азимутов ИСЗ по эфимеридной информации, передаваемой с ИСЗ.
Для функционирования СРНС важным является умение рассчитать координаты и вектор скорости спутника для любого наперед заданного момента времени. Известно, что орбита спутника представляет собой эллипс, в одном из фокусов которого находится центр тяготения. Положение спутника относительно Земли может быть задано с помощью элементов орбиты: долготы восходящего узла, угла наклонения орбиты, длин полуосей орбиты, аргумента перигея и т.д.[5]
Алгоритм нахождения угла места (угла возвышения относительно горизонта в точке приема) и азимута а луча на ИСЗ состоит из нескольких этапов: 1. вычисляются координаты ИСЗ xs, ys, zs в гринвичской прямоугольной системе; 2. координаты xs, ys, zs переводятся в геодезическую систему координат В, L, Н (широта, долгота, высота); 3. на основе полученных координат Вс, Lc точки наблюдения и координат Bs, Ls подспутниковой точки вычисляются угол места и азимут.
Вычисления вектора состояния НКА GPS по эфемеридным данным
Для нахождения вектора состояния наблюдателя необходимо уметь вычислять вектор состояния НКА. Исходные данные для построения алгоритма содержатся в интерфейсном документе GPS-системы.
Для описания движения НКА системы GPS используют геоцентрическую вращающуюся систему координат WGS-84 ("World Geodetic System"). Время в системе представляется номером недели и смещением от начала недели в секундах. Отсчет системного времени GPS ведется, непрерывно начиная с 0 часов 00 секунд 5 января 1980 года по Гринвичу. [6]
Расчет вектора состояния НКА производится с помощью эфемеридных данных или эфемерид, передаваемых с борта. Эфемеридные данные обновляются раз в два часа и относятся к времени эпохи (опорному, исходному моменту времени). Согласно, срок действия эфемерид составляет 604800 секунд или неделю. Эфемериды состоят из стандартных элементов кеплеровской орбиты и некоторых параметров
Обзор программного обеспечения обработки и анализа данных GPS-приемников
Существующее программное обеспечение (ПО) обработки и анализа данных GPS-приемников делится, в зависимости от решаемых задач, на следующие типы:
Встроенное ПО. С его помощью осуществляется автоматизация самоконтроля и управления оборудованием, накопление и организация массивов «сырых» данных, связь с внешними источниками и потребителями информации и т.д. Встроенное ПО поставляется как неотъемлемый элемент оборудования, «зашитое» в микросхему flash-памяти, что позволяет легко заменять его на новую версию. Алгоритмы расчета и преобразования координат, компенсации погрешностей и др. размещаются именно во встроенном ПО GPS-приемника (firmware).
Камеральное ПО решает задачи математической обработки результатов измерений, например, при построении геодезических сетей и решении других задач геодезического производства. Может поставляться и использоваться совместно с геодезическим оборудованием той иной фирмы или отдельно. Решает задачи подготовки и выпуска отчетной текстовой, табличной и графической документации по геодезическим проектам.
Научное ПО. Как было отмечено ранее, система GPS применяется для широкого круга научных задач. В большинстве случаев ПО разрабатывается исследовательскими группами самостоятельно, для решения определенных, порой узкоспециализированных, задач.[7]
Определение структуры файла «сырых» данных
На первом этапе выполнения работы определена структура файла необработанных данных GPS- измерений. Файлы формата Magellan содержат три основных блока данных (ДМ):
- данные об эфемиридах (EPHEMERIS DATA),
- сырые наблюдаемые данные (RANGE DATA),
- вычисленные данные о местоположении (MODE).[4]
После описания данных об эфемеридах находятся сырые наблюдаемые данные (Range Data).
Во втором блоке информация о номере спутника, интенсивности сигнала (может изменяться от 1 до 9), псевдодальности, сдвиге Доплера.
Обычно, каждое наблюдение будет сопровождаться вычисленным данными о месторасположении точки наблюдения, блок MODE.
В последнем блоке содержатся вычисленные данные о месторасположении точки наблюдения. Эти данные содержат время, широту, долготу и высоту. Время показано в секундах с начала GPS недели, широта и долгота отображаются в радианах, а высота в метрах. Ниже этого показана GPS неделя, и в самом конце точность (PDOP) определения местоположения точки.
В первом блоке содержится информация о номере спутника, с которого получена информация, времени GPS недели, начальном моменте времени, полуось орбиты, эксцентриситет, значение аномалии в начальный момент времени, скорости изменения долготы восходящего узла плоскости орбиты, аргумент перигея, диапазоне пользовательской точности.
Актуальность темы. Спутниковые радионавигационные системы (СРНС) характеризуются охватом всего Земного шара и ближнего околоземного космического пространства и отсутствием ограничений по числу обслуживаемых потребителей. СРНС обеспечивают точное трехмерное определение координат и вектора скорости подвижных объектов в реальном масштабе времени вне зависимости от их географического положения, времени и метеорологических условий
Объем информации, получаемый в результате тематической обработки данных GPS-приемников, постоянно увеличивается, поэтому на первый план выходят задачи ее анализа, оптимизации и структуризации. Существующее программное обеспечение (как коммерческое, так и бесплатное) обработки данных GPS-приемников нацелено на решение узкоспециализированных задач.
Требуется решить взаимосвязанный круг задач от организации структуры экспериментальных данных до алгоритмов и методов обработки и анализа полученной информации. Адаптация же существующих решений сопоставима с разработкой программного обеспечения с нуля.[8]
Целью научной работы является создание комплексной системы автоматизированной обработки и анализа данных GPS-приемников для оценки точности, надежности и эффективности функционирования системы GPS.
Научная новизна работы заключается в следующем:
1. Предложена, разработана и реализована комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных GPS-приемников.
2. На основе разработанных методов, алгоритмов и программ получены точностные характеристики пространственных параметров.
Достоверность полученных результатов, подтверждается тестированием алгоритмов и программ, физическим обоснованием предложенных методов, их проверкой вычислительными экспериментами и представительной статистикой наблюдений. Полученные в экспериментах результаты находятся в качественном и количественном согласии с данными независимых исследований.[6]
Практическая ценность работы. Разработанные в магистерской работе концепция, алгоритмы и методы, а также программы-модули могут использоваться • при разработке специального математического и программного обеспечения систем анализа, оптимизации, управления, принятия решений и обработки информации .GPS.[9]
Личный вклад автора. Основные результаты научной работы являются оригинальными и получены лично автором. Автору принадлежит разработка концепции комплексной системы, проведение анализа предметной области, построение модели программного комплекса, проектирование структуры БД, определение требований к программному комплексу и разработка технических решений для их реализации, включая обоснование и выбор аппаратно-программной платформы. Сравнение результатов обработки комплексной системы с результатами, полученными другими программными средствами.
Заключение.На основе анализа имеющихся подходов и программных средств для обработки и анализа данных GPS-приемников установлено, что существующие решения не обеспечивают эффективного управления информационными потоками и являются узкоспециализированными.
Предложена, разработана и реализована комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных GPS-приемников, представляющая собой эффективный инструмент для анализа работы системы GPS (ГЛОНАСС).
Предложенная комплексная система автоматизированной обработки и анализа данных GPS-приемников. Предложенные принципы диагностики канала передачи навигационной информации через ионосферу-тропосферу позволяют решать важные практические задачи высокоточной радионавигации и радиогеодезии в интересах различных потребителей. Они повышают уровень понимания физических процессов, протекающих в различных оболочках Земли (литосфера, атмосфера, ионосфера).
Дальнейшие исследования целесообразно ориентировать в сторону более глубокого теоретического анализа прямых и обратных задач диагностики как технического комплекса, так и околоземного космического пространства, накопления статистического материала о точностных характеристиках отечественных и зарубежных приемных устройствах СРНС.[10]
Список литературы:.
1. Афраймович Э. Л., Базаржапов А.Д., Межетов М.А., Демьянов В.В. Алгоритм компенсации ионосферной погрешности позиционирования железнодорожного транспорта при использовании спутниковых систем навигации для управления движением на железной дороге. Информационные системы контроля и управления на транспорте: Сб.науч.тр. Иркутск: ИрИИТ, 2002, Вып. 10, С.52-60.
2. Афраймович Э.Л., СВ. Воейков, О.С. Лесюта, И.И. Ушаков.Геомагнитные возмущения и сбои фазовых измерений навигационной системы GPS. // Труды VII международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь». - Воронеж, 2001 Т.З, С.
3. Бабич О.А. Обработка информации в навигационных комплексах. — М.: Машиностроение, 1991. - 512 с. 15.Башкуев Ю.Б., Дембелов М.Г., Козиенко Л.В. Зона обслуживания СВ радиомаяка для передачи дифференциальных поправок глобальных навигационных спутниковых систем. // Труды 2-й международной научно-технич. конференции "Энергетика, экология, энергосбережение, транспорт". Тобольск, 8-11 сентября 2004, С.40-44.
4. Васекин А.И., Зенченко В.М., Гребенников А.В., Кокорин В.И., Новиков В.Б., Сушкин И.Н. Опыт внедрения аппаратуры спутниковых навигационных систем в технологии управления железнодорожным транспортом. Тезисы региональной научно-практической конференции. Новосибирск, МПС РФ, 24-26 июня, 1999.
5. Гурин С.Е. Применение сетевых спутниковых систем второго поколения ГЛОНАСС/GPS для целей управления инфраструктурой железнодорожного транспорта. Дисс. на соиск. уч-степ. к.т.н., МИИТ, 2002.-215 с. 28.Дастин Э., Рэшка Дж., Пол Д. Автоматизированное тестирование программного обеспечения. - М.: Лори, 2003. - 592 с.
6. Демьянов В.В. Коррекция глобальной модели полного электронного содержания по текущим измерениям ионосферной задержки сигналов спутниковых радионавигационных систем. Автореферат дисс. на соиск. уч-степ. к.т.н., ИГУ, 2000. - 17 с.
9.Garmin. Что такое GPS? (http://www.garmin.com.ua/about/article_detail.php?ID=174t=)