СПОСОБ ПОВЫШЕНИЯ ПОМЕХОУСТОЙЧИВОСТИ ИНТЕГРИРОВАННОЙ СИСТЕМЫ ОРИЕНТАЦИИ И НАВИГАЦИИ

Предлагаемое изобретение относится к области космической радионавигации и может быть использовано для повышения помехоустойчивости интегрированной системы ориентации и навигации (ИСОН) объекта.

Известно, что при работе аппаратуры спутниковой радионавигационной системы (СРНС) в ее показаниях могут присутствовать погрешности многолучевости, условленные переотражением навигационного сигнала от различных поверхностей, таких как здания горы и т.д. Также в работу СРНС противником могут вноситься преднамеренные помехи, как методом заглушения и изменения навигационного сигнала от спутников, так и методом установки на земной поверхности или на различных летательных аппаратах передающей аппаратуры имитирующей так называемый GPS-подобный навигационный сигнал.

Вследствие этого ИСОН, принимающая такие сигналы (переотраженные или GPS-подобные), имеет низкую надежность, так как не может отличить истинные навигационные сигналы от переотраженных или от преднамеренных помех. Это особенно актуально для ИСОН, построенных по сильносвязанной схеме комплексирования, принимающей сигналы от одного-двух навигационных спутников, так как для них невозможно воспользоваться избыточностью информации в отличие от ИСОН разомкнутого типа, принимающей навигационные сигналы от пяти и более спутников.

Известен способ определения положения осей координат инерциальной навигационной системы объекта относительно базовой системы координат (его варианты) [Патент РФ №21160216 по классу B64G 1/24, G01S 5/02, G01S 5/04, G01S 5/00], принятый за прототип. Способ заключается в определении положения осей координат инерциальной навигационной системы объекта относительно базовой системы координат, включает навигационные измерения объекта, движущегося в инерциальном пространстве, в базовой системе координат и в инерциальной системе координат объекта, при этом в моменты времени ti и ti+1 измеряют координаты движущегося объекта в системе координат глобальной навигационной системы типа "Глонас" или/и "Navstar", выбранной в качестве базовой системы координат; на участке траектории объекта в период времени ti-ti+1 измеряют вектор ускорения в инерциальной системе координат объекта, по которому определяют координаты объекта в те же моменты времени ti и ti+1; в моменты времени tj и tj+1 на участке траектории объекта, не параллельном участку предыдущих навигационных измерений, проводят аналогичные определения координат объекта в базовой системе координат и в инерциальной системе координат объекта; затем по полученным координатам на каждом из, по меньшей мере, двух участков траектории в периоды времени ti-ti+1 и tj-tj+1 определяют векторы перемещения объекта в базовой (LiB, LjB) и в инерциальной (LiU, LjU) системах координат объекта, после чего определяют матрицу (А) перехода между базовой системой координат и инерциальной системой координат объекта из системы уравнений

LiB=ALiU,

LjB=ALjU,

i, j=…n, ij,

где n - количество участков траектории, при этом по компонентам матрицы А определяют положение осей координат инерциальной навигационной системы объекта относительно базовой.

Недостатком способа является то, что для повышения помехоустойчивости необходимо совершить маневр, реализующий, по крайней мере, два непараллельных участка траектории, на которых проводят навигационные измерения.

Известен способ, позволяющий повысить помехоустойчивость ИСОН, основанный на контроле качества эфемеридной информации навигационных спутников, контроле качества кодовых псевдодальностей, контроле качества фазовых наблюдений и формировании интегральных показателей всего сеанса наблюдений. (Д.А.Шелковенков Контроль качества наблюдений GPS/ГНСС-приемников на этапе предварительной обработки // http://www.mao.kiev.ua/EOP/ENGLISH/kharkov_centre/articles//shelkovenkov/shelkovenkov_1.pdf)

Недостатками способа являются: невозможность обнаруживать одинарные аномальные выбросы фазовых наблюдений; зависимость интегральной оценки качества наблюдений от настройки пороговых значений (допусков), по которым определяется количественный уровень качества (т.е. для автоматизированной отбраковки "плохих" наблюдений нужны достаточные основания, серьезно влияющие на конечный результат навигационных определений); необходимость наличия Интернет-канала для получения RINEX-файлов с содержащейся в них эфемеридной информацией.

Технической задачей изобретения является отбраковка сигналов от различных источников помех, идущих вместе с навигационными сигналами, принимаемыми от произвольного количества навигационных спутников (от одного и более).

Способ повышения помехоустойчивости интегрированной системы ориентации и навигации, установленной на подвижном объекте, заключается в том, что принимают на подвижном объекте навигационный сигнал, излучаемый спутником, извлекают из него информацию о координатах спутника, посредством сигналов, поступающих от спутника на разнесенные антенны, вычисляют угол между базой разнесенных антенн и направлением на спутник β, определяют координаты подвижного объекта посредством бесплатформенной инерциальной навигационной системы, используя информацию о координатах спутника и координатах подвижного объекта вычисляют угол между базой разнесенных антенн и направлением на спутник β*, вычисляют разницу между β и β*, при ее величине больше допустимой величины погрешности принятый навигационный сигнал, излученный спутником, считают сигналом помехи и его исключают из дальнейшей обработки.

Изобретение поясняется чертежом, где:

S - спутник,

А1, А2 - первая и вторая антенны аппаратуры СРНС,

В - точка, являющаяся центром базы антенн А1 и А2,

OXYZ - связанная система координат,

O_gX_gY_gZ_g - нормальная подвижная система координат,

β, β* - угол между базой антенн и направлением на спутник.

Способ повышения помехоустойчивости ИСОН реализуется следующим образом.

На подвижном объекте размещают две приемные антенны аппаратуры СРНС произвольным образом. Для простоты выкладок рассмотрим случай, когда антенны располагаются вдоль продольной оси подвижного объекта (чертеж).

По сигналам поступающим от спутника S на разнесенные антенны А1 и А2 определяют косинус угла β между базой антенн и направлением на спутник по формуле:

где β - угол между вектором А1 А2 и направлением на спутник S;

λ - длина волны сигналов излучаемым спутником S; Δφ - разница фаз сигналов принимаемых антеннами А1 и А2 от спутника S; d - расстояние между антеннами А1 и А2.

По показаниям с БИНС вычисляют матрицу направляющих косинусов (табл.1), которая определяет положение связанной с объектом системы координат относительно базовой.

Таким образом, зная матрицу направляющих косинусов, определяют положение продольной оси объекта, а следовательно, и положение базы антенн, т.е. положение вектора , которое определяется элементами c₁₁, c₂₁, c₃₁ матрицы. Вектор можно представить в виде

В навигационном сигнале, излучаемом спутником, содержится информация о координатах спутника в геоцентрической системе координат. По этой информации находят координаты спутника в нормальной подвижной системе координат S(x_gs, y_gs, z_gs).

Координаты точка В определяют по показаниям БИНС (они совпадают с показаниями БИНС) B(x_gB, y_gB, z_gB).

Зная координаты точек В и S в нормальной подвижной системе координат определяют положение вектора как разность координат точек S(x_gS, y_gS, z_gS) и B(x_gB, y_gB, z_gB):

Находят косинус угла между векторами и по зависимости:

или после преобразования находят по зависимости:

Сравнивают между собой значение угла между базой антенн и направлением на спутник по данным со спутниковой радионавигационной системы (β) и значение угол между базой антенн и направлением на спутник по данным с бесплатформенной инерциальной навигационной системы (β*), вычислив по формулам (1) и (4) косинусы углов β и β*.

β=arccosβ, β*=arccosβ*

Задают допустимую величину погрешности Δβ.

В том случае если разница углов Δβ, вычисленная по формуле (5), совпадает с заданной погрешностью, например Δβ<0.5°, то навигационный сигнал считают истинным и используют для дальнейшей обработки. Если направления на спутник не совпадают, т.е. Δβ>0.5°, то, следовательно, принятый сигнал является либо переотраженным, либо сигналом помехи, поэтому его исключают из дальнейшей обработки.

Проведенное математическое моделирование подтвердило эффективности предлагаемого способа повышения помехоустойчивости ИСОН.

Таким образом, использование изобретения позволяет отбраковывать сигналы от различных источников помех, идущие вместе с навигационными сигналами, принимаемыми от произвольного количества навигационных спутников (от одного и более), тем самым повышает помехоустойчивость интегрированной системы ориентации и навигации.

Приложение

УДК 621.396.98:629.7

Д.А.ШЕЛКОВЕНКОВ

КОНТРОЛЬ КАЧЕСТВА НАБЛЮДЕНИЙ GPS/ГНСС-ПРИЕМНИКОВ НА ЭТАПЕ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ

Введение

В настоящее время координатные определения с использованием глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС), таких как GPS, ГЛОНАСС и в ближайшей перспективе - GALILEO, пользуются возрастающей популярностью потребителей благодаря глобальной зоне покрытия, высокой точности и оперативности определения местоположения. К тому же создан целый ряд функциональных дифференциальных дополнений к ГНСС, таких как WAAS, EGNOS и многих других, которые позволяют значительно повысить точность и надежность навигации.

ГНСС находят все большее применение и в приложениях, требующих дециметровой, сантиметровой и даже миллиметровой точности с использованием дифференциальных методов определения координат. К таким приложениям относятся геодезия, геодинамика, аэрофотограмметрия, задачи мониторинга и др. В большинстве случаев эти применения не требуют высокой оперативности (реальный масштаб времени) определений, хотя и не исключают такой режим там, где это возможно и экономически обосновано и выгодно. Главными требованиями являются точность и надежность координатных определений. Важнейшую роль в задачах высокоточных координатных определений играет программно-алгоритмическое обеспечение (ПАО) обработки измерительной информации ГНСС-приемников с возможностью обработки не только кодовых, но и, главным образом, высокоточных, хотя и неоднозначных, фазовых наблюдений. Стоимость коммерческого ПАО такого класса сравнима со стоимостью современных ГНСС-приемников геодезического класса. В подобных программных продуктах значительный объем вычислений (25-30%) связан с предварительной обработкой наблюдений (англ. - pre-processing), которая включает такие важные задачи, как устранение фазовых циклических скачков, устранение скачков вызванных подстройкой шкалы времени приемника, синхронизация наблюдений с системной шкалой ГНСС и др.

Принципиальным на этом этапе обработки является контроль качества первичной измерительной информации приемников, который включает обнаружение и устранение влияния на измерения воздействие индустриальных или преднамеренных электромагнитных помех, аномальных наблюдений, обусловленных сбоями приемников, многолучевым распространением сигнала и/или других факторов. Также требуется учитывать особенности работы ГНСС-приемников различных типов и производителей. Важнейшую роль при обработке наблюдений современных дифференциальных подсистем играют фазовые наблюдения. От надежности обработки фазовых наблюдений на всех этапах обработки зависит успешность не только дальнейшего контроля качества по критериям уровня многолучевости кодовых наблюдений, измерительных шумов, отбраковка аномальных выбросов, но и качества определения местоположения.

Решение подобных задач для режима послесеансной обработки и режима реального времени имеет свои особенности. В данной статье рассматриваются возможные подходы к решению комплекса задач контроля качества для послесеансной обработки наблюдений GPS/ГНСС-приемников геодезического класса.

1. Контроль целостности временной шкалы измерительной информации

Первичная измерительная информация GPS/ГНСС-приемников (наблюдаемые значения кодовых и фазовых псевдодальностей, псевдодоплеровского сдвига частоты и соотношение сигнал/шум) для обработки обычно предоставляются либо в виде файлов в формате RINEX (от англ. Receiver INdependent EXchange format), либо в файлах со структурой, определяемой производителем приемного оборудования (т.н. "binary" или "raw" файлы). Все наблюдения жестко "привязаны" к показаниям часов приемника на момент наблюдения. После считывания информации из файла производится контроль целостности шкалы времени файла по приведенным ниже критериям.

1) Обнаружение изменения темпа данных во время сеанса наблюдений

Как показывает накопленный опыт обработки доступных автору наблюдений, темп выдачи измерительной информации для отдельных перманентных референцных станций может изменяться в течение сеанса наблюдений. При этом необходимо либо произвести разбиение всего сеанса на участки с постоянным темпом измерительной информации, либо установить минимальный для всего сеанса темп данных.

При одновременной совместной обработке измерительной информации различных станций в ряде случаев возникает необходимость приведения темпа данных наблюдений всех приемников к одному и тому же значению. Наблюдения, соответствующие эпохам, которые не удовлетворяют заданному темпу данных наблюдений, при обработке должны быть устранены.

2) Обнаружение и устранение дублирующихся временных эпох

К появлению дублирующихся временных эпох в наблюдениях обычно приводят сбои в программном обеспечении преобразования первичной измерительной информации GPS-приемников в формат RINEX. Данная проблема весьма просто устраняется, однако такие эпохи могут приводить к проблемам при последующей обработке наблюдений.

3) Обнаружение и фиксация пропущенных временных эпох

Пропуски временных эпох могут возникать по различным причинам: воздействие электромагнитных помех, перерывы в питании приемника и др. Пропуски наблюдений могут составлять от 1-30 с до нескольких часов и, в случае если фиксация таких эпох не производится, то это может привести к сбоям и ошибкам при обработке наблюдений.

2. Обнаружение выбросов в кодовых псевдодальностях

Аномальные выбросы в кодовых GPS-наблюдениях могут быть обусловлены аппаратурными либо программными ошибками приемника, воздействием электромагнитных помех, неуверенным приемом сигналов навигационных спутников и др. Эти выбросы могут приводить к ошибкам измерения кодовых псевдодальностей в сотни километров и более. Обнаружение таких выбросов возможно при решении навигационной задачи.

В случае решения навигационной задачи (НЗ) с использованием бортовой эфемеридной информации необходимо производить обязательную проверку показателя «здоровья» спутников и UDRE эфемерид на аномальность. Это является стандартной обязательной операцией при решении НЗ [1].

После первого решения НЗ по методу наименьших квадратов (МНК) формируется пороговое значение Z в виде:

где Q - исходный вектор псевдодальностей, F - вектор дальностей, оцененный на последнем шаге итераций при решении навигационной задачи, n - число обрабатываемых псевдодальностей.

В случае превышения заданного порогового значения для поиска «сбойного» спутника методом перебора формируются невязки в виде (Z_j-Z(j)), что позволяет устранить влияние опорного генератора приемника. Затем производится сравнение каждого элемента вектора Z_j с установленным пороговым значением и поиск псевдодальности с максимальным превышением порога. После устранения из решения аномальной псевдодальности производится повторное решение НЗ.

3. Обнаружение и оценка скачков шкалы времени приемника

При работе навигационного приемника выполняется непрерывная оценка расхождения шкалы времени его опорного генератора относительно системной шкалы GPS. Многие типы приемников в случае, когда оцененное расхождение превышает некоторое пороговое значение (обычно кратное 0,5 или 1 мс), производят подстройку показаний часов (см. рис.1). Это приводит к возникновению скачков одновременно во всех кодовых (а для некоторых старых типов приемников - и в фазовых) псевдодальностях. Количество подстроек шкалы времени приемника в течении сеанса наблюдений зависит от долговременной стабильности встроенного опорного генератора.

Для обнаружения и идентификации скачков часов приемника применяются процедуры, аналогичные процедурам обнаружения и идентификации фазовых циклических скачков [2]. После обнаружения скачков исходная шкала времени корректируется для получения непрерывной функции. Одновременно корректируются все кодовые (при необходимости - и фазовые) псевдодальности.

4. Обнаружение аномальных выбросов фазовых наблюдений с использованием кодово-фазовых линейных комбинаций

Фазовые наблюдения навигационных GPS-приемников в большей степени подвержены воздействию электромагнитных помех по сравнению с кодовыми. Для обнаружения аномальных значительных выбросов фазовых наблюдений автором предложено применять приращения от разности кодовых и фазовых наблюдений с последующим обнаружением последовательностей выбросов, превышающих установленное пороговое значение. Как показали эксперименты, такой подход позволяет надежно обнаруживать наличие фазовых циклических скачков ("слипов" - от англ. slip) более 50-75 циклов несущей частоты LI GPS. Наличие последовательностей "больших" (более 75 циклов) слипов указывает на наличие действия помехи на приемный тракт. Такие наблюдения необходимо устранить из последующей обработки.

Данный подход не позволяет обнаруживать одинарные аномальные выбросы фазовых наблюдений, однако их обнаружение и устранение возможно при решении задачи восстановления непрерывности фазовых наблюдений [2,3].

5. Контроль качества починки фазовых циклических скачков отдельной станции (темп 1-1/5 Гц) с использованием вторых разностей фазовых наблюдений между парами спутников и парами станций

Предлагаемый алгоритм контроля качества починки фазовых циклических скачков («слипов») основан на корреляции погрешностей наблюдений станций, вызванных флуктуациями бортовых опорных генераторов навигационных спутников. Предложенный в [2, 3] алгоритм починки фазовых циклических скачков использует одинарные разности фазовых наблюдений ("спутник-спутник" [(L₁-L₁)_ij]) т.к. в этой линейной комбинации (ЛК) устраняются погрешности часов приемника, но данная ЛК не устраняет влияние шумов бортовых атомных часов GPS спутников, которые обычно составляют ~(5-7) см (3σ) и зависят от типа и качества используемого бортового стандарта частоты и времени.

Как показали эксперименты, в некоторых случаях шумовые выбросы бортовых стандартов времени могут привести к ошибкам при обнаружении фазовых циклических скачков в условиях пропусков наблюдений, особенно при уменьшении темпа данных измерительной информации (1/10 Гц и менее).

Применение двойных разностей между парами спутников и парами станций ([(L₁-L₁)_ij]_k-[(L₁-L₁)_ij]_m) позволяет устранить влияние бортовых часов навигационных спутников, что позволяет надежно контролировать наличие циклических фазовых скачков в наблюдениях как одночастотных, так и двухчастотных станций. Кроме того, двойные разности позволяют значительно уменьшить динамику обрабатываемой функции, что позволяет проводить предварительную оценку качества восстановления непрерывности фазовых наблюдений при детальном анализе результатов обработки визуально, при этом алгоритм обработки ЛК в части обнаружения скачков не отличается от предложенного в [3].

Алгоритм контроля качества восстановления непрерывности фазовых наблюдений отдельной станции с использованием вторых разностей фазовых наблюдений между парами спутников и парами станций позволяет проконтролировать качество восстановления непрерывности фазовых наблюдений как одночастотных, так и двухчастотных станций. Для одночастотных станций контролируются ЛК, сформированные на частоте L1, а для двухчастотных - раздельно на L1 и на L2, при этом порядок выполнения операций сохраняется.

6. Определение интегральных статистических показателей качества GPS/ГНСС наблюдений по отдельным критериям

Одна из составляющих контроля качества наблюдений состоит в формировании и анализе таких интегральных показателей качества, как:

- количество (абсолютное и удельное) обнаруженных на сеансе измерений фазовых циклических скачков;

- уровень (СКО) многолучевости кодовых наблюдений;

- уровень (СКО) шумов наблюдений, количество обнаруженных аномальных выбросов как кодовых, так и фазовых наблюдений;

- измеренное отношение сигнал/шум в каналах приемника;

- количество и разброс величин интервалов пропусков наблюдений;

- количество скачков часов приемников станций и скорость ухода часов приемника;

- величины геометрических факторов;

- количество полученных наблюдений по отношению к возможному, количество разрывов наблюдений.

Определение этих статистик не представляет затруднений. Вычисления значений среднеквадратических погрешностей (СКО) производятся по известным стандартным соотношениям. Обнаружение и фиксация аномальных выбросов также является хорошо известной процедурой.

Более важен другой вопрос. Интегральная оценка качества наблюдений зависит от настройки пороговых значений (допусков), по которым и определяется количественный уровень качества. Эти допуски могут отличаться для разных условий проведения измерений, разных типов ГНСС-оборудования, экспертных подходов к оценке допусков. Для автоматизированной отбраковки "плохих" наблюдений нужны достаточные основания, серьезно влияющие на конечный результат геодезической съемки или навигационных определений. Поэтому для определения допусковых параметров по тому или другому критерию необходимо получить и проанализировать достаточный экспериментальный материал, позволяющий верифицировать принятые методы, алгоритмы и допусковые константы для оценки качества наблюдений.

7. Контроль качества бортовой эфемеридной информации GPS-спутников

Одним из наиболее эффективных способов контроля качества бортовой эфемеридной информации навигационных спутников является независимая оценка параметров движения и частотно-временных погрешностей спутников. Однако это требует достаточно сложной обработки фазовых наблюдений сети станций с большими базами.

Предлагаемый подход позволяет выявлять аномальную информацию в навигационных сообщениях спутников с использованием только эфемеридной информации записанной в RINEX-файлах. Для получения более надежной фиксации аномалий разработана специальная методика, согласно которой используются суточные навигационные файлы содержащие все навигационные сообщения всего созвездия спутников. Подобная информация предоставляется на некоммерческой основе международными IGS-центрами (от англ. International GNSS Service) через сеть Internet [4,5].

Контроль качества бортовой информации заключается в:

1) контроле показателя «здоровья» спутников и UDRE эфемерид (см. выше);

2) проверке взаимосогласованности эфемеридной информации и частотно-временных поправок для каждого из спутников;

3) поиске аномальных отклонений расчетных эфемерид и частотно-временных поправок от интерполированных за сутки значений.

8. Тестирование реализованных алгоритмов контроля качества

Изложенные подходы были реализованы в виде экспериментального программного обеспечения в среде MatLab. Для тестирования эффективности контроля качества применялся коммерческий программный пакет послесеансной обработки GPS-наблюдений GrafNav/GrafNet 7.60 (NovAtel/Waypoint, Канада) геодезического класса.

При исследованиях использовалась информация украинской сети перманентных референцных GPS-станций (г. Харьков - KHAR, г. Киев - GLSV, г. Алчевск - ALCI, г. Полтава - POLV) с известными координатами приемных пунктов, что позволило оценить погрешности координатного решения полученного с использованием программного пакета GrafNav/GrafNet (см. рис.2, 3).

Результаты исследований показали, что предложенный и реализованный набор алгоритмов контроля качества GPS-наблюдений в случае наличия в измерениях станций аномальных наблюдений позволяет в ряде случаев значительно (в несколько раз) повысить точность как автономного, так и дифференциального координатного решения с использованием хорошо апробированного ПО GrafNav/GrafNet, а также помочь оператору обработки в установлении причины появления аномальных наблюдений.

Выводы

Определен, разработан и апробирован набор алгоритмов контроля качества GPS/ГНСС-наблюдений на этапе предварительной обработки в послесеансном режиме, который включает:

- контроль качества эфемеридной информации навигационных спутников;

- контроль качества кодовых псевдодальностей;

- контроль качества фазовых наблюдений;

- формирование интегральных показателей всего сеанса наблюдений.

Проведена верификация разработанных алгоритмов на реальных данных перманентны референцных GPS-станций. Верификация показала, что в случае наличия аномальных наблюдений (сбоев, помех, большого количества фазовых циклических скачков) выполнение предварительной обработки наблюдений с использованием разработанных алгоритмов позволяет повысить точность и надежность определения местоположения в послесеансном режиме с использованием всемирно признанных программных продуктов, таких как GrafNav/GrafNet (NovAtel/Waypoint, Канада). В дальнейшем планируется доработка алгоритмов для реализации контроля качества наблюдений в реальном времени.

Перечень ссылок: 1. Глобальна система визначення мicцеположеиня (GPS). Teopiя i практика / Б.Гофманн-Велленгоф, Г.Лiхнеггер, Д.Коллiнз; Пер. з англ. третього вид. Пiд ред. Я.С.Яцкiва. - Киïв: Наукова думка, 1995. - 380 с.2. Zhalilo A.A. (2003) Carrier-Phase Cycle-Slip detection and repair of Dual-Frequency GPS data - New Technique using Correlation Filtering Principle, Proceedings of the 10^ht Saint Petersburg International Conference on Integrated Navigation Systems. - St. Petersburg, Russia, 26-28 May, pp.273-276 3. Zhalilo A.A., Sadanova N.V. (2004) Pre-Processing & Analysis software "OCTAVA PPA": concept, possibilities and features, initial test results (The paper is presented at the 2004 International Symposium on GNSS/GPS, Sydney, Australia, 6-8 December 2004), 17 pp.4. ftp: // cddisa.gsfc.nasa.gov/gps/data/daily/ 5. http:// igs.ifag.de/ Харьковский национальный университет радиоэлектроники. Поступила в редколлегию.