Погрешности навигационных измерений в спутниковых радиосистемах управления
Покупка
Издательство:
Горячая линия-Телеком
Автор:
Подкорытов Андрей Николаевич
Год издания: 2021
Кол-во страниц: 96
Дополнительно
Вид издания:
Учебное пособие
Уровень образования:
ВО - Бакалавриат
ISBN: 978-5-9912-0850-5
Артикул: 751818.02.99
Рассмотрены аппаратурные и геофизические эффекты, являющиеся источниками погрешностей навигационных измерений в глобальных навигационных спутниковых системах. Приведены подробные математические модели измерений ГЛОНАСС и GPS, а также их линейные комбинации, используемые в режиме высокоточного абсолютного местоопределения и в других режимах. Описаны методы компенсации соответствующих систематических смещений, приведены численные оценки и модели. Уделено внимание особенностям обработки высокоточных, но неоднозначных псевдофазовых измерений, использование которых является одним из ключевых факторов
достижения сантиметровой точности определения координат потребителя. Для студентов вузов, обучающихся по укрупненным группам специальностей и направлениям подготовки: 24.00.00 - «Авиационная и ракетнокосмическая техника», 11.00.00 - «Электроника, радиотехника и системы связи». Будет полезно аспирантам и специалистам соответствующих направлений.
Тематика:
ББК:
УДК:
ОКСО:
- ВО - Бакалавриат
- 11.03.01: Радиотехника
- 11.03.04: Электроника и наноэлектроника
- 24.03.01: Ракетные комплексы и космонавтика
- 24.03.02: Системы управления движением и навигация
- 24.03.04: Авиастроение
- ВО - Специалитет
- 24.05.06: Системы управления летательными аппаратами
ГРНТИ:
Скопировать запись
Фрагмент текстового слоя документа размещен для индексирующих роботов.
Для полноценной работы с документом, пожалуйста, перейдите в
ридер.
Москва Горячая линия – Телеком 2021 Рекомендовано Редакционно-издательским советом федерального государственного бюджетного образовательного учреждения высшего образования «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)» в качестве учебного пособия
УДК 629.78.072.1:53.088(075.8) ББК 39.571-52 П44 Р е ц е н з е н т ы: кафедра «Радиоэлектронные системы и комплексы» Российского технологического университета МИРЭА; зам. начальника центра ц13 АО «Российские космические системы», доктор техн. наук, профессор В. В. Бетанов Подкорытов А. Н. П44 Погрешности навигационных измерений в спутниковых радиосистемах управления. Учебное пособие. – М.: Горячая линия – Телеком, 2021. – 96 с.: ил. ISBN 978-5-9912-0850-5. Рассмотрены аппаратурные и геофизические эффекты, являющиеся источниками погрешностей навигационных измерений в глобальных навига- ционных спутниковых системах. Приведены подробные математические мо- дели измерений ГЛОНАСС и GPS, а также их линейные комбинации, ис- пользуемые в режиме высокоточного абсолютного местоопределения и в дру- гих режимах. Описаны методы компенсации соответствующих систематиче- ских смещений, приведены численные оценки и модели. Уделено внимание особенностям обработки высокоточных, но неоднозначных псевдофазовых измерений, использование которых является одним из ключевых факторов достижения сантиметровой точности определения координат потребителя. Для студентов вузов, обучающихся по укрупненным группам специ- альностей и направлениям подготовки: 24.00.00 – «Авиационная и ракетно- космическая техника», 11.00.00 – «Электроника, радиотехника и системы связи». Будет полезно аспирантам и специалистам соответствующих направ- лений. Адрес издательства в Интернет WWW.TECHBOOK.RU Учебное издание Подкорытов Андрей Николаевич ПОГРЕШНОСТИ НАВИГАЦИОННЫХ ИЗМЕРЕНИЙ В СПУТНИКОВЫХ РАДИОСИСТЕМАХ УПРАВЛЕНИЯ Учебное пособие Тиражирование книги начато в 2020 г. Все права защищены. Любая часть этого издания не может быть воспроизведена в какой бы то ни было форме и какими бы то ни было средствами без письменного разрешения правообладателя © ООО «Научно-техническое издательство «Горячая линия – Телеком» www.techbook.ru © А. Н. Подкорытов
Введение Глобальные спутниковые системы синхронизации и управления движением в околоземном пространстве (спутниковые радиосистемы управления) активно развиваются в последние десятилетия. Непрерывно растут требования потребителей к точности, оперативности и надежности управления подвижными объектами. Управление строительной техникой, роботами, автомобилями и подвижными механизмами, автоматические системы взлета и посадки, полетные и наземные испытания в гражданской и военной авиации, перемещение опасных грузов — все это системы управления, в которых используются глобальные навигационные спутниковые системы (ГНСС). ГНСС стремительно развиваются в настоящее время: помимо давно функционирующих систем ГЛОНАСС и GPS, почти полностью развернуты орбитальные группировки третьей глобальной системы навигации — европейской GALILEO и четвертой — китайской Beidou. Развиваются и широкозонные системы функциональных дополнений. Разрабатываются новые сигналы, выделяются дополнительные частоты, вводятся в эксплуатацию новые спутники, совершенствуются алгоритмы обработки навигационных измерений и повышается точность эфемеридно-временной информации (ЭВИ). Задача высокоточного оценивания глобальных геоцентрических координат потребителей (высокоточное абсолютное местоопределе- ние) стала передним краем развития высокоточной спутниковой на- вигации. Стало возможным определение геоцентрических коорди- нат потребителя с точностью в единицы сантиметров практически в режиме реального времени. Появилось множество промышленных приложений данной технологии во всех отраслях экономики. Поми- мо управления подвижными объектами высокоточные методы спут- никовой навигации сегодня используются в строительстве, прибреж- ных работах, топографической съемке с земли и воздуха, в сельском и лесном хозяйстве, в системах предупреждения стихийных бедст- вий и многих других областях. С ростом точностных характеристик расширяется и набор гео- физических эффектов и явлений, оказывающих влияние на резуль- таты обработки измерений в ГНСС. Одним из основных условий до- стижения высокой точности местоопределения в ГНСС в абсолют-
Введение ном режиме является тщательная компенсация ряда систематичес- ких смещений в исходных измерениях псевдодальностей и псевдо- фаз. К данным систематическим смещениям относятся таковые, по- рождаемые разрывами псевдофазовых измерений, релятивистскими и гравитационными эффектами, взаимной ориентацией антенн спут- ника и приемника, искажениями в ионосфере и тропосфере, вра- щением Земли, смещениями и вариациями фазовых центров антенн спутников и приемников, твердотельными, полярными, океаничес- кими и атмосферными приливами. Значительная часть приведен- ных смещений игнорируется при работе в стандартном автономном одночастотном режиме местоопределения, но для режимов высоко- точной навигации учет указанных смещений становится необходи- мым. В разделе 1 приведены математические модели исходных из- мерений навигационного приемника (псевдодальность, псевдофаза, псевдодоплеровское смещение частоты), модели измерений ГЛО- НАСС и GPS на исходных частотах, а также ионосферосвободные модели измерений ГЛОНАСС и GPS. В том числе уделено внимание модели измерений GPS с разделенными часами, для которой мо- жет быть использована процедура разрешения целочисленной неод- нозначности псевдофазовых измерений. Кроме того, рассмотрена модель измерений для совместного использования измерений ГЛО- НАСС и GPS при высокоточном местоопределении в ГНСС. Раздел 2 посвящен учету основных релятивистских и гравитаци- онных эффектов в ГНСС. Подробно рассмотрены основные причины релятивистского расхождения показаний часов спутников и назем- ных часов, описаны способы его компенсации в ГНСС. Данный раз- дел расширяет понимание координатно-временных принципов рабо- ты ГНСС. В разделе 3 изложены общие сведения о задержке сигналов на- вигационных спутников в ионосфере и описаны отличия ионосфер- ных искажений для измерений псевдодальности и псевдофазы. Рас- смотрены несколько моделей ионосферной задержки, в том числе используемые в оперативной ЭВИ ГЛОНАСС и GPS, модель IRI и точечная модель. Описаны способы компенсации ионосферной за- держки сигнала для одночастотного и двухчастотного навигацион- ных приемников в ГНСС. В разделе 4 изложены общие сведения о задержке сигналов на- вигационных спутников в тропосфере. Описано моделирование тро- посферной задержки спутниковых сигналов с учетом горизонталь- ной градиентной составляющей и без него.
Введение 5 Раздел 5 посвящен учету смещений фазового центра антенн спутников и приемников в ГНСС. Рассмотрены две составляющие смещений как для спутников, так и для приемников. Смещения фа- зовых центров антенн спутников рассмотрены для различных моди- фикаций спутников ГЛОНАСС и GPS. В разделе 6 рассмотрены два вида ЭВИ — оперативная, веща- емая навигационными спутниками в режиме реального времени, а также высокоточная, формируемая в виде прогноза либо уточняе- мая апостериорно по измерениям сети наземных станций. Рассмот- рены типовые форматы, используемые для хранения высокоточной ЭВИ. Для каждого вида ЭВИ приведены оценки точности. Многолучевое распространение сигналов рассматривается в раз- деле 7. Помимо общих сведений о многолучевости и основных свой- ствах следящих систем навигационного приемника приводятся осо- бенности многолучевых смещений в измерениях псевдодальностей и псевдофаз. Для основных сигналов ГЛОНАСС и GPS приведены оценки максимально возможной ошибки многолучевости, а также ее типовые значения. Описаны различные модели отражения, а также аппаратурные и программные методы подавления ошибок многолу- чевости. Шумовые ошибки измерений по основным типам сигналов ГЛО- НАСС и GPS описаны в разделе 8, приведен типовой способ учета уг- ла возвышения спутника. Кроме того, рассмотрены межсигнальные бортовые аппаратурные смещения для спутников ГЛОНАСС и GPS. В разделе 9 описаны основные геофизические эффекты, имею- щие приливной характер: приливы в упругом теле Земли (твердо- тельные приливы), смещения полюсов Земли (полярные приливы) и океанические приливы. Приведены алгебраические выражения для вычисления соответствующих смещений и их типовые значения. Раздел 10 посвящен смещению измерений псевдофазы, связан- ному со взаимной ориентацией антенн спутника и приемника. В Приложениях раздела 11 приведен подробный алгебраический вывод широко используемых на практике комбинаций исходных из- мерений (ионосферосвободные, геометрически свободные, разност- ные, комбинации на суммарной и разностной длинах волн), а также описан алгоритм обнаружения срывов слежения за фазой несуще- го сигнала в приемнике. В условиях активного развития методов высокоточной навигации, основанных на обработке псевдофазовых измерений, данный алгоритм и его аналоги особенно важны при об- работке измерений в ГНСС.
Введение Для рассмотренных систематических смещений в измерениях подробно описаны соответствующие геофизические эффекты, приве- дены численные оценки, особенности моделирования и учета. Б´оль- шая часть материала, связанная с ГЛОНАСС, относится к орби- тальной группировке спутников с частотным разделением каналов, которая в настоящее время полностью развернута и активно исполь- зуется. Расширение системы за счет введения спутников с кодовым разделением каналов в пособии не рассматривается, так как в насто- ящее время реальная возможность использовать измерения таких спутников на практике отсутствует. Учебное пособие предназначено для бакалавриата, магистран- тов, специалистов и аспирантов, обучающихся по укрупненной груп- пе специальностей и направлений подготовки 24.00.00 «Авиационная и ракетно-космическая техника» (специальности 24.03.02 «Системы управления движением и навигация», 24.05.06 «Системы управле- ния летательными аппаратами», 24.05.01 «Проектирование, произ- водство и эксплуатация ракет и ракетно-космических комплексов»), 11.00.00 «Электроника, радиотехника и системы связи» (специаль- ность 11.05.01 «Радиоэлектронные системы и комплексы») и по на- учной специальности ВАК 05.12.14 «Радиолокация и радионавига- ция». Будет полезно аспирантам и специалистам соответствующих направлений.
Виды и модели навигационных измерений в ГНСС 1.1. Математические модели исходных измерений навигационного приемника В навигационном приемнике осуществляется три основных ви- да измерений — измерения псевдодальностей (псевдодальномерные, псевдодальностные или кодовые измерения), псевдофаз (псевдофа- зовые или фазовые измерения) и псевдодоплеровских смещений час- тот несущих колебаний спутниковых сигналов (псевдодоплеровские измерения). Физическая природа и методы формирования этих из- мерений в навигационных приемниках подробно описаны в [1–3]. Использование указанных измерений для определения коорди- нат объектов в ГНСС основано на их математических моделях. Та- кие модели определяют связь измерений с координатами приемника, показаниями его часов на момент проведения измерений, координа- тами навигационного спутника и показаниями его часов на момент предшествия (момент предшествия предшествует моменту измере- ния на время распространения сигнала от спутника до приемника) и другими оцениваемыми параметрами и смещениями. Математи- ческие модели измерений псевдодальностей ρj, псевдофаз ϕj и псев- додоплеровских смещений F j для j-го спутника описываются сле- дующими зависимостями [1–3]: ρj = Rj + ΔRj ORBIT + c(ΔTREC + Δτ j ρ,HARD)− − c(ΔT j SAT + ΔT j REL + Δτ j HARD) + ΔRj P CO+ + c(Δτ j T ROP + Δτ j IONO) + dj ρ,MULT + dj T IDAL + ΔRP CO + εj ρ; (1.1) ϕj = Rj + ΔRj ORBIT λj + f jΔTREC + Δψj ϕ,HARD + ψ0− − f j(ΔT j SAT + ΔT j REL + ΔT j GRAV ) − Δψj HARD − ψj 0+ + 1 λj [ΔRj P CO + c(Δτ j T ROP − Δτ j IONO) + dj ϕ,MULT + dj T IDAL+ + ΔRP CO + ΔRj WIND−UP ] − N j + εj ϕ; (1.2) F j = − ˙Rj λj − kjΔfMO + εj F , (1.3)
Р а з д е л 1 где: ρj — измеренное значение псевдодальности для j-го спутника, м; ϕj — измеренное значение псевдофазы для j-го спутника, цик- лы; F j — измеренное значение псевдодоплеровского смещения час- тоты несущего колебания j-го спутника, Гц; c — скорость света, м/с; f j — частота несущего колебания j-го спутника, Гц; λj = с/f j — длина волны несущего колебания j-го спутника, м; Rj — расстояние (дальность) между пространственной точкой, координаты которой определяются, в момент проведения измерения tM и центром масс j-го спутника в момент предшествия tj P REV к моменту измерения tM, м; ΔRj ORBIT — систематическое смещение в измерениях псевдо- дальностей и псевдофаз, связанное с неточностью знания координат (орбиты, ORBIT) j-го спутника, м; ΔRj P CO — систематическое смещение в измерениях псевдодаль- ностей и псевдофаз, порождаемое смещением фазового центра ан- тенны (phase center offset, PCO) j-го спутника относительно его цент- ра масс, м; ΔT j SAT — смещение показаний часов j-го спутника (satellite, SAT) относительно показаний часов системы, c; ΔT j REL — релятивистское смещение (relativity, REL) показаний часов j-го спутника, порождаемое эллиптичностью его орбиты, c; Δτj HARD — кодовая задержка в аппаратуре (hardware, HARD) j-го спутника, с; Δτj T ROP — наклонная тропосферная (troposphere, TROP) за- держка сигнала j-го спутника, с; Δτj IONO — наклонная ионосферная (ionosphere, IONO) задержка сигнала j-го спутника, c; dj ρ,MULT — многолучевые (multipath, MULT) искажения изме- рений псевдодальности по j-му спутнику, м; dj T IDAL = dj SOLID + dj OCEAN + dj P OLE — результирующее систе- матическое смещение измерений псевдодальности и псевдофазы по j-му спутнику, порождаемое приливными (tidal) эффектами в упру- гом теле Земли (dj SOLID), океаническими приливными эффектами (dj OCEAN) и смещениями полюсов Земли (dj P OLE), м; ΔRP CO — систематическое смещение в измерениях псевдодаль- ностей и псевдофаз, порождаемое смещением фазового центра ан- тенны навигационного приемника относительно пространственной точки, координаты которой определяются, м;
Виды и модели навигационных измерений в ГНСС 9 ΔTREC — смещение показаний часов навигационного приемника (receiver, REC) относительно показаний часов системы, с; Δτj ρ,HARD — кодовая задержка сигнала j-го спутника в аппара- туре навигационного приемника, c; εj ρ — шумовая ошибка измерений псевдодальности по j-му спут- нику в навигационном приемнике, м; ΔRj WIND−UP — систематическое смещение измерений псевдофа- зы по j-му спутнику, определяемое взаимной ориентацией антенн j-го спутника и приемника (wind-up эффект), м; ΔT j GRAV — систематическое смещение измерений псевдофазы по j-му спутнику, порождаемое изменениями гравитационного (gravita- tional, GRAV) поля Земли за время распространения сигнала (гра- витационная задержка), с; Δψj HARD — фазовая задержка в аппаратуре j-го спутника, цик- лы; ψj 0 — начальная фаза излучения несущего колебания генерато- ром j-го спутника, циклы; dj ϕ,MULT — многолучевые искажения измерений псевдофазы по j-му спутнику, м; Δψj ϕ,HARD — фазовая задержка сигнала j-го спутника в аппа- ратуре навигационного приемника, циклы; ψ0 — начальная фаза колебания на несущей частоте, формиру- емого в навигационном приемнике, циклы; N j — неопределенное целое число, определяющее целочислен- ную неоднозначность измерения псевдофазы по j-му спутнику, б/р или циклы; εj ϕ — шумовая ошибка измерений псевдофазы по j-му спутнику в навигационном приемнике, циклы; ˙Rj — радиальная скорость движения j-го спутника относитель- но навигационного приемника, м/с; kj — постоянный коэффициент преобразования частоты fMO задающего генератора навигационного приемника на частоту несу- щего колебания j-го спутника; ΔfMO — смещение частоты fMO задающего генератора навига- ционного приемника относительно ее номинального значения fMO,NOM, Гц; εj F — шумовая ошибка измерений псевдодоплеровского смеще- ния частоты, Гц. Измерения псевдодальностей ρj (1.1), псевдофаз ϕj (1.2) и псев- додоплеровских смещений частот несущих колебаний спутниковых
Р а з д е л 1 сигналов F j (1.3) привязываются к показаниям часов навигационно- го приемника TREC(tM) на моменты проведения измерений tM. Особенностью псевдофазовых измерений, которая порождает значительные трудности их обработки, является неоднозначность этих измерений. Неоднозначность порождается неопределенным це- лым числом циклов N j, которое входит в математическую модель псевдофазовых измерений (1.2). Трудности обработки псевдофазо- вых измерений возрастают при появлении на интервале их изме- рения срывов слежения за фазами несущих колебаний спутнико- вых сигналов (см. Приложение 11.8), которые описываются в моде- ли псевдофазовых измерений (1.2) скачкообразным изменением на неопределенную целую величину целого числа циклов N j. При обработке псевдофазовых измерений необходимо учиты- вать как их неоднозначность, так и возможное целочисленное скач- кообразное изменение этой неоднозначности. Учет неоднозначности (учет неопределенного целого N j) в математической модели псевдо- фазы сводится к включению N j в число оцениваемых параметров. Для определения факта наличия скачков в измерениях псевдофа- зы по отслеживаемому спутнику разработаны методы, основанные на использовании линейных комбинаций измерений (более подробно описаны в Приложении 11.8). 1.2. Модель измерений GPS на исходных частотах Рассмотрим математические модели измерений псевдодальнос- ти (1.1) и псевдофазы (1.2) применительно к ГНСС GPS. На практике под моделью измерений часто понимают не математические модели исходных измерений (1.1)–(1.3), а некоторый набор измерений (комбинаций измерений) навигационного приемника, который используется для решения поставленной задачи обработки измерений в ГНСС. Например, можно говорить о модели измерений, используемой для автономного абсолютного местоопределения потребителя по широковещательным эфемеридам в режиме реального времени или для высокоточного абсолютного местоопределения потребителя в режиме постобработки. Известно [4], что в GPS используется кодовое разделение каналов (code division multiple access, CDMA), поэтому все спутники GPS в i-м частотном диапазоне Li (i = 1, 2, 5) излучают навигационные сигналы на одной и той же частоте f G i : L1: f G 1 = 1575,42 МГц; L2: f G 2 = 1227,60 МГц; L5: f G 5 = 1176,45 МГц.