Спеціальність:Інжинерна геодезія
Тема роботи магістра: "Дослідження структури даних супутникових спостережень і розробка системи їх обробки і зрівнювання."
Керівник : доц. Петрушин Олександр Геннадійович
E-mail: spycina@spycina.com
Вживання засобів космічної навігації для управління в складних технічних системах пред'являє високі вимоги до програмно-апаратного комплексу апаратури споживача. Дана робота виконана в рамках досліджень направлених на вивчення можливості вживання засобів космічної навігації для управління. Запропонований алгоритм визначення вектора достатку споживача і уточнення часу реєстрації сигналу по вимірах псевдодальності і псевдоскорості. Отримані статистичні характеристики визначення параметрів на місячному інтервалі щосекундних вимірів.
Особливість побудови супутникової радіонавігаційної системи (СРНС) полягає в тому, що координати будь-якого рухливого об'єкту можна визначити по радіосигналах навігаційних штучних супутників Землі (ІСЗ). Для цього необхідно знати їх точне положення в просторі. Тому у випромінюваних ІСЗ радіосигналах міститься інформація про поточні координати (ефемеріди), які визначаються наземними станціями стеження і контролю. Траєкторії руху ІСЗ проходять по опорних орбітах і підкоряються законам небесної механіки, проте із-за опору атмосфери впливу аномалій гравітаційного поля Землі, сонячного вітру і інших чинників фактичний рух ІСЗ відхиляється від розрахункового. За допомогою системи стеження і контролю періодично уточнюється місце розташування ІСЗ, прогнозується їх рух після чого ефемеридна інформація по радіоканалу передається на бортову ЕОМ навігаційних ІСЗ. Таким чином, для нормального функціонування і підтримки СРНС потрібні значні матеріаль витрати. В даний час для використання доступні лише дві системи - російська ГЛОНАСС (Глобальна Навігаційна Супутникова Система) і американська GPS (Global Positioning System — Глобальна Система Позиціювання).
До складу GPS входять сузір'я ІСЗ (космічний сегмент), мережа наземних станцій стеження і управління (сегмент управління) і власне Gps-пріємникі (апаратура споживачів).
Космічний сегмент GPS номінально складається з 24 супутників, що звертаються довкола Землі в шести орбітальній плоскості. Форма орбіт близька до круга, з висотою над поверхнею Землі порядка 20 000 км. і періодом звернення близько 12 ч. Нахил орбіти щодо екватора 55°. Така кількість і розташування супутників забезпечує в будь-якій крапці поверхні Землі прийом радіонавігаційних сигналів від 4 до 11 ІСЗ.
Дані, що містяться в навігаційному повідомленні, включають: • параметри орбіти ІСЗ, що дозволяють обчислити на будь-який момент прямокутні геоцентричні координати супутника X', В, Z'; • поправку часу супутникового генератора частоти щодо часу системи GPS і усесвітнього часу (UTC); • коефіцієнти рівняння для обчислення іоносферної поправки в результати вимірів.
Навігаційні повідомлення супутників, що дозволяють визначати їх координати, розділяються на два види: ефемеридні, або оперативні дані і дані альманаха (календаря). Ефемеридні дані дозволяють обчислювати точне місце розташування супутника, яке далі використовується для визначення координат споживача. Кожен супутник передає свої ефемеридні дані. Окрім ефемерід зі всіх супутників системи передаються дані альманаха.
Вони також дозволяють визначати місце розташування супутника, але з набагато меншою точністю. Дані альманаха застосовуються для вирішення допоміжних завдань в апаратурі споживача: визначення супутників, що знаходяться в зоні видимості, обчислення целеуказаній апаратурі для полегшення входження в зв'язок і так далі Кожен супутник передає дані альманаха про всі супутники системи, у тому числі і про себе.
Слід зазначити, що системи ГЛОНАСС і GPS для опису положення супутників і визначуваних по ним об'єктів користуються просторовими координатами X, Y, Z. От їх переходять до геодезичних координат (широті В, довготі L і висоті Н над еліпсоїдом) і потім - до плоских прямокутних координат х в проекції Гаусса-крюгера. При цьому доводиться враховувати, що в різних супутникових системах користуються різними координатними системами. Так в GPS використовується система координат Wgs-84, прийнята в США і низці інших країн, а в ГЛОНАСС - своя система координат (ПС-90). І обидві вони відрізняються від прийнятої в Росії системи координат. Тому в ході користування супутниковими системами доводиться вирішувати задачу переходу від однієї системи координат до іншої.
Найбільш сучасні приймачі зберігають спостереження у внутрішній пам'яті, тоді як старіші приймачі виводять їх на флоппі-діськ або на стрічку. Перший крок обробки полягає в переписуванні даних з приймача на жорсткий диск комп'ютера. Переписування виконується за допомогою програм поставлених виробником. Файли спостережень для даної сесії містять фази і інші спостережувані величини, бортові ефемеріди і дані для станції - ідентифікатор станції, висоту антени і, можливо, навігаційне положення.
Головним завданням при передачі файлів є забезпечення правильності найменування файлів і значення висоти антени, чого можна досягти вживанням форми резюме, що містить призначення сесіям станцій, виміряних висот антен, стартових і стопових моментів сесій.
Більшість програм обробки автоматично витягують висоту антени з файлу даних для пункту, що зберігаються в приймачі. Після виправлення назв різних файлів слід перевірити і виправити всі висоти антен.
В даний час обробка спостережень виконується зазвичай в пакетному режимі. Всі пакетні файли створюються на основі трьох- або четирех- символьних ідентифікаторів пунктів, так що першим завданням при обробці GPS даних є забезпечення правильного найменування всіх пунктів.
Погрішності визначення координат (точностниє характеристики)
Система GPS, як і будь-яка інша, не є ідеальною і схильна різного роду діям, що призводять у результаті до зниження точності позиціювання. Вимоги до точності вимірів багато в чому визначається характером завдань. Чинники що впливають на роботу GPS, носять як природний (пов'язаний з процесами поширення радіохвиль), так і технічний характер (недосконалість приймальної апаратури). Більш того, існує можливість штучного глушіння сигналів GPS.
До чинників технічного характеру відносяться погрішності годинника приймача і ІСЗ, помилки обчислення ефемерід і інструментальна погрішність приймача. При всій точності тимчасових еталонів ІСЗ існує деяка погрішність шкали часу апаратури супутника.
Якість функціонування СРНС обмежена впливом середи навколоземного космічного простору. Найбільша погрішність при проходженні радіосигналу на трасі «спутник-Земля» вноситься іоносферою. Затримки, що виникають при цьому, в першому наближенні є мірою повного електронного вмісту (ПЕС) уздовж траєкторії поширення радіосигналу.
У сучасних GPS пріёмниках використовують всілякі алгоритми усунення цих затримок.. Для одночастотной апаратури Глонасс/gps розроблені різні моделі і алгоритми у тому числі регіональна модель повного електронного вмісту з адаптивною структурою, що використовує як вхідні параметри поточні виміри іоносферної затримки.
Методи обробки даних Gps-вимірювань
При роботі з даними приймачів GPS дослідник обов'язково стикається з необхідністю вживання певних методів обробки даних, як вельми спільних, так і розроблених спеціально для системи GPS. Основними методами при роботі з даними Gps-пріємников є : • визначення повного електронного вмісту в іоносфері за даними приймачів GPS; • визначення кутів місця і азимутів ІСЗ за ефімерідной інформацією, що передається з ІСЗ.
Для функціонування СРНС важливим є уміння розрахувати координати і вектор швидкості супутника для будь-якого наперед заданого моменту часу. Відомо, що орбіта супутника є еліпсом, в одному з фокусів якого знаходиться центр тяжіння. Положення супутника щодо Землі може бути задане за допомогою елементів орбіти: довготи висхідного вузла, кута нахилу орбіти, довжин полуосей орбіти, аргументу перигея і так далі.
Алгоритм знаходження кута місця (кута піднесення щодо горизонту в точці прийому) і азимута а світивши на ІСЗ складається з декількох етапів: 1. обчислюються координати ІСЗ xs, ys, zs в грінвічській прямокутній системі; 2. координати xs, ys, zs переводяться в геодезичну систему координат В, L, Н (широта, довгота, висота); 3. на основі отриманих координат Вс Lc точки спостереження і координат Bs, Ls подспутникової крапки обчислюються кут місця і азимут.
Обчислення вектора стану НКА GPS за ефемеридними даними
Для знаходження вектора стану спостерігача необхідно уміти обчислювати вектор стану НКА. Вихідні дані для побудови алгоритму містяться в інтерфейсному документі gps-системі. Для опису руху НКА системи GPS використовують геоцентричну систему координат Wgs-84, що обертається ("World Geodetic System"). Час в системі представляється номером тижня і зсувом від початку тижня в секундах. Відлік системного часу GPS ведеться, безперервно починаючи з 0 годин 00 секунд 5 січня 1980 року
Розрахунок вектора стану НКА виробляється за допомогою ефемеридних даних або ефемерид, передаваних з борту. Ефемеридні дані оновлюються раз в дві години і відносяться до часу епохи (опорному, вихідному моменту часу). Згідно, термін дії ефемерид складає 604800 секунд або тиждень. Ефемериди складаються із стандартних елементів кеплерівської орбіти і деяких параметрів
Огляд програмного забезпечення обробки і аналізу даних gps-пріймачів
Існуюче програмне забезпечення (ПО) обробки і аналізу даних gps-пріймачів ділиться, залежно від вирішуваних завдань, на наступних типів:
Вбудоване ПО. З його допомогою здійснюється автоматизація самоконтролю і управління устаткуванням, накопичення і організація масивів «сирих» даних, зв'язок із зовнішніми джерелами і споживачами інформації і так далі Вбудоване ПО поставляється як невід'ємний елемент устаткування, «зашите» в мікросхему flash-пам'яті, що дозволяє легко замінювати його на нову версію. Алгоритми розрахунку і перетворення координат, компенсації погрішностей і ін. розміщуються саме у вбудованому ПО gps-пріймача
Камеральноє ПО вирішує завдання математичної обробки результатів вимірів, наприклад, при побудові геодезичних мереж і вирішенні інших завдань геодезичного виробництва. Може поставлятися і використовуватися спільно з геодезичним устаткуванням тій іншої фірми або окремо. Вирішує завдання підготовки і випуску звітної текстової, табличної і графічної документації по геодезичних проектах.
Наукове ПО. Як було відмічено раніше, система GPS застосовується для широкого круга наукових завдань. В більшості випадків ПО розробляється дослідницькими групами самостійно, для вирішення визначених, деколи вузькоспеціалізованих, завдань.
Визначення структури файлу «сирих» даних
На першому етапі виконання роботи визначена структура файлу необроблених даних GPS- вимірів. Файли формату Magellan містять три основні блоки даних (ДМ):
- дані про ефемірідах (EPHEMERIS DATA),
- сирі спостережувані дані (RANGE DATA),
- обчислені дані про місце розташування (MODE).
У першому блоці міститься інформація про номер супутника, з якого отримана інформація, час GPS тижня, початковий момент часу, піввісь орбіти, ексцентриситет, значення аномалії в початковий момент часу, швидкості зміни довготи висхідного вузла плоскості орбіти, аргумент перигея, діапазоні призначеної для користувача точності. Після опису даних про ефемериди знаходяться сирі спостережувані дані (Range Data).
У другому блоці інформація про номер супутника, інтенсивність сигналу (може змінюватися від 1 до 9), псевдодальність, зрушення Доплера. Зазвичай, кожне спостереження супроводитиметься обчисленим даними про місцерозташування точки
Актуальність теми. Супутникові радіонавігаційні системи (СРНС) характеризуються обхватом всієї Земної кулі і ближнього навколоземного космічного простору і відсутністю обмежень по числу обслуговуваних споживачів. СРНС забезпечують точне тривимірне визначення координат і вектора швидкості рухливих об'єктів в реальному масштабі часу незалежно від їх географічного положення, часу і метеорологічних умов. В даний час відбувається інтенсивне освоєння і вживання СРНС GPS (США) і ГЛОНАСС (Росія) у різних галузях народного господарства. Такі широкі перспективи використання СРНС приводять до необхідності детального вивчення інформаційних параметрів самих систем супутникової навігації, у тому числі надійності їх функціонування і перешкодозахисної особливо при їх експлуатації в екстремальних умовах. Якість функціонування СРНС Глонасс/gps обмежується впливом ряду чинників, пов'язаних з характеристиками середи поширення радіохвиль.
Метою наукової роботи є створення комплексної системи автоматизованої обробки і аналізу даних Gps-приймачів для оцінки точності, надійності і ефективності функціонування системи GPS.
Наукова новизна роботи полягає в наступному:
1. Запропонована, розроблена і реалізована комплексна система автоматизованої обробки і аналізу даних Gps-приймачів.
2. На основі розроблених методів, алгоритмів і програм отримані точностні характеристики просторових параметрів.
Достовірність отриманих результатів , підтверджується тестуванням алгоритмів і програм, фізичним обгрунтуванням запропонованих методів, їх перевіркою обчислювальними експериментами і показною статистикою спостережень. Отримані в експериментах результати знаходяться в якісній і кількісній згоді з даними незалежних досліджень.
Практична цінність роботи.. РРозроблені в магістерській роботі концепція, алгоритми і методи, а також программи-модулі можуть використовуватися при розробці спеціального математичного і програмного забезпечення систем аналізу, оптимізації, управління, ухвалення рішень і обробки інформації GPS.
Особистий вклад автора. Основні результати наукової роботи є оригінальними і отримані особисто автором. Авторові належить розробка концепції комплексної системи, проведення аналізу научної області, побудова моделі програмного комплексу, проектування структури БД визначення вимог до програмного комплексу і розробка технічних вирішень для їх реалізації, включаючи обгрунтування і вибір аппаратно-программной платформи. Порівняння результатів обробки комплексної системи з результатами, отриманими іншими програмними засобами.
Висновок. На основі аналізу наявних підходів і програмних засобів для обробки і аналізу даних Gps-пріймачів встановлено, що існуючі вирішення не забезпечують ефективного управління інформаційними потоками і є вузькоспеціалізованими. Запропонована розроблена і реалізована комплексна система автоматизованої обробки і аналізу даних Gps-приймачів, що є ефективним інструментом для аналізу роботи системи GPS (ГЛОНАСС).
Запропонована комплексна система автоматизованої обробки і аналізу даних Gps-пріємников. Запропоновані принципи діагностики каналу передачі навігаційної інформації через іоносферу-тропосферу дозволяють вирішувати важливі практичні завдання високоточної радіонавігації і радіогеодезії на користь різних споживачів. Вони підвищують рівень розуміння фізичних процесів що протікають в різних оболонках Землі (літосфера, атмосфера, іоносфера).
Подальші дослідження доцільно орієнтувати убік глибшого теоретичного аналізу прямих і зворотних завдань діагностики як технічного комплексу, так і навколоземного космічного простору накопичення статистичного матеріалу про точностних характеристики вітчизняних і зарубіжних приймальних пристроях СРНС.