Методы и алгоритмы формирования поправок в дифференциальной системе спутниковой навигации тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.12.14, кандидат технических наук Сернов, Виталий Геннадьевич

• Сернов, Виталий Геннадьевич
• кандидат технических наук
• 2006

Оглавление диссертации кандидат технических наук Сернов, Виталий Геннадьевич

Список используемых сокращений.

Глава 1. Постановка задачи.

Введение.

1.1 Предпосылки работы.

1.2 Обзор и классификация спутниковых систем дифференциальной навигации.

1.3 Постановка задачи.

Глава 2. Разработка алгоритмов высокоточного прогнозирования орбит на основе использования современных геофизических моделей Земли.

2.1 Математические модели ускорений пассивного движения НИСЗ.

2.1.1 Модели гравитационного поля Земли

2.1.2 Гравитационное влияние Луны и Солнца.

2.1.3 Возмущения вызываемые приливами в упругом теле Земли

2.1.4 Возмущения вызываемые океаническими приливами

2.1.5 Возмущения вызываемые атмосферными приливами

2.1.6 Неточности модели геопотенциала вследствие движения полюсов

2.1.7 Возмущения, вызываемые давлением солнечного света .:.

2.2 Выбор метода интегрирования.

2.3 Результаты высокоточного прогнозирования. Оценка интервала прогнозирования для задачи формирования дифференциальных поправок.

Глава 3. Определение орбит среднеорбитальных НИСЗ по беззапросным измерениям сети наземных станций.

3.1 Обзор методов обработки беззапросных траекторных измерений.

3.1.1. Статический метод.

3.1.2. Динамический метод.

3.1.3. Кинематический метод.

3.1.4. Метод ослабленной динамики.

3.2 Математические модели измерений и их временная привязка.

3.2.1 Время и его количественное определение

3.2.2 Шкалы времени навигационного приемника

3.2.3 Математические модели измерений навигационного приемника

3.2.4 Временная привязка измерений навигационного приемника к единой шкале времени системы.

3.3 Методика вычисления невязок.

3.3.1. Модель движения станции сбора измерений.

3.3.2. Модель псевдодальномерного канала.

3.3.3. Алгоритм расчета невязок.

3.4 Реализация метода ослабленной динамики в задаче определения орбит. 3.4.1. Выбор и обоснование вектора оцениваемых параметров.

3.4.2. Рекуррентное вычисление вектора оцениваемых параметров.Ю

3.4.3. Проведение вычислительного эксперимента определения орбит НИСЗ по беззапросным измерениям псевдодальностей.

Глава 4. Предложения по построению системы глобальной дифференциальной навигации.

4.1 Экспериментальное определение вида глобальных дифференциальных поправок.

4.2 Определение состава глобальных дифференциальных поправок.

4.3 Предложения по структуре передачи глобальных дифференциальных поправок и оценка необходимой пропускной способности каналов связи.

4.4 Структура системы глобальной дифференциальной навигации.

4.5 Способы использования глобальных дифференциальных поправок.

4.6 Результаты вычислительного эксперимента по определению координат потребителя на основе учета глобальных дифференциальных поправок.

Заключение диссертации по теме «Радиолокация и радионавигация», Сернов, Виталий Геннадьевич

Заключение.

С целью создания системы дифференциальной навигации на территории России, был проведен анализ на базе СРНС существующих систем дифференциальной навигации, представлена их классификация. Выявлено, что условиям России в наилучшей степени соответствуют системы глобальной дифференциальной навигации. В основе функционирования СГДН лежит формирование дифференциальных поправок к координатам и составляющим вектора скорости спутников на основе обработки беззапросных измерений, осуществляемых сетью, состоящей из относительно небольшого числа наземных станций. Последнее является определяющим фактором для России с ее очень большой и неравномерно населенной территорией. Борьба с ионосферными искажениями в СГДН осуществляется путем использования двухчастотных измерений. В свете предстоящего введения в ГЛОНАСС и GPS гражданских кодов на второй несущей частоте, двухчастотные измерения станут общедоступными.

Разработаны алгоритмы и программное обеспечение высокоточного прогнозирования траекторий движения навигационных спутников систем ГЛОНАСС и GPS на основе использования последних достижений теории движения ИСЗ. Путем проведения вычислительных экспериментов на разработанном программном обеспечении определена длительность интервала прогнозирования, при котором ошибки определения спутника на орбите не превышают величин, приемлемых в СГДН (~30см). Оценка длительности интервала прогнозирования позволяет сформулировать требования к периоду обновления дифференциальных поправок и темпу решения задачи уточнения орбит по беззапросным измерениям сети наземных станций.

Разработаны алгоритмы пересчета измерений псевдодальностей и псевдофаз с внутренней шкалы времени приемника на системную шкалу. Приемники станций наземной сети могут формировать измерения на разных шкалах. Для обработки этих измерений необходимо осуществлять их пересчет на единую системную шкалу. Особенность такого пересчета заключается в том, что при его осуществлении необходимо проводить не только замену показаний часов внутренней шкалы на показания часов шкалы системы, но и менять измеренные значения псевдодальностей и псевдофаз.

Проведено обоснование использования метода ослабленной динамики в качестве алгоритмической основы рекуррентных вычислений уточнения орбит навигационных спутников по беззапросным измерениям сети наземных станций. Использование метода ослабленной динамики позволяет практически исключить влияние ошибок моделей движения НИСЗ на уточнение их орбит при обработке измерений рекуррентным способом на длительных интервалах времени.

Предложены значения статистических характеристик (интервала корреляции и дисперсии) компонент шума модели движения, включаемых в число оцениваемых величин при уточнении орбит среднеорбитальных ИСЗ методом ослабленной динамики по беззапросным измерениям псевдодальностей.

Разработано программное обеспечение уточнения орбит навигационных спутников на основе рекуррентных алгоритмов метода ослабленной динамики. Программное обеспечение опробовано на примерах обработки реальных измерений псевдодальностей и псевдофаз сети наземных станций. На этой основе продемонстрированы преимущества метода ослабленной динамики по сравнению с кинематическим и динамическим методами уточнения орбит.

Путем сравнения уточненных и эфемеридных орбит навигационных спутников выявлены характерные различия между ними. На этой основе разработаны предложения по составу глобальных дифференциальных поправок, формату и темпу их передачи. -Для использования существующих каналов доставки информации рассмотрен алгоритм пересчета глобальных поправок в локальные поправки в формате ЯТСМ.

Проведены вычислительные эксперименты по определению местоположения потребителя, использующего в обработке глобальные дифференциальные поправки. Результаты экспериментов демонстрируют повышение точности абсолютных определений примерно в 2-4 раза.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Сернов, Виталий Геннадьевич, 2006 год

1. Российский радионавигационный план НТЦ «Интернавигация» М. 1994.

2. Глобальная спутниковая радионавигационная система ГЛОНАСС. Под. Ред. В.Н. Харисова, Ф.И. Петрова, В.А. Болдина. Москва. ИПРЖР, 1999. 560с.

3. Global Positioning System: Theory and Applications. Edited by B.W. Parkinson and J.J. Spilker Jr. Published by the American Institute of Aeronautic and Astronomies, Inc. 1996 -1436pp.

4. R.J. Muellerschoen, Y.E. Bar-Sever, W.I. Bertiger, Decimeter Accuracy NASA's Global DGPS for High-Precision Users; GPS World Jun 2001. p.p. 14-20

5. Specification Wide Area Augmentation System (WAAS), U.S. Department of Transport, Federal Aviation Administration, FAA-E-2892B, March 10,1997 151p.

6. Michael L. Whitehead et all. A Close Look at Satloc's Real-Time WADGPS System. GPS Solutions, Vol. 2, No 2, pp. 46-63 (1998). ©John Wiley & Sons, Inc

7. Спутниковые радионавигационные системы. Ю.А. Соловьев. -М: Эко-трендз. 2000. -269с.

8. GPS World, Октябрь 2000г. Advanstar Communications, 859 Willamette Street, Eugene, OR 97401, USA / Пер. с англ. -M: "Навгеоком" 2003.

9. Hartman R. Jonson D. Demonstration of a P(Y)-Code Differential GPS Precision Approach System, Navigation (USA), v. 45, N1. 1998

10. BarbouxJ.P. Recent Developments in Precise and Ultra Precise DGPS Positioning, Proc. Of DSNS-96, vol. 2, St. Petersburg, May 1996, Paper № 37.

11. Blomenhofer H., MattissekA. The New DASA-NFS Ground Station Family for Use in Civil Aviation, Proc. Of DSNS-96, Add. Vol. 1, St Petersburg, May 1996, Paper №17

12. RTCM Paper 11-98/SC104-STD. RTCM Recommended Standarts for Differential GNSS (Global Navigation Satellite Systems) Servise. Version 2.2 Developed By RTCM Special Committee No 104. Jan 15,1998. 125p.p.

13. Шебшаевич B.C. Балов A.B. Химулип В.И. Развитие дифференциального метода навигационных определений в спутниковой РНС ГЛОНАСС// Радионавиагция и время РИРВ 1992

14. Robin Strahan «Location Sensing Technologies» University College Dublin Oct. 2002 -ЗЗр.р

15. R.J. Muellerschoen, W.I. Bertiger, M.F. Lough "Internet-based Global Differential GPS" ION 56th National Technical Meeting, Anaheim, CA Jun 26-28,2000.

16. Stephen M. Lichten "Estimation and filtering for high-precesion GPS positioning application"

17. IERS Conventions (1996). Dennis D. McCarthy (ed.) / IERS Technical note 21. 1996. Paris. -137p.p.

18. Построение матрицы перехода между системами координат П390 ГЛОНАСС и ITRF на основе результатов лазерных данных международного эксперимента IGEX-98. Митрикас В.В. IGEX-98 Workshop Proceedings. Sept. 13-14,1999, p.p. 275-300

19. Springer, Т.A., G. Beutler, and M. Rothacher (1998), A new Solar Radiation Pressure Model for the GPS Satellites IGS Workshop Proceedings ESOC, Darmstadt, Germany, February 9--11 1998.

20. Leland E. Cunningham. On the computation of the spherical harmonic term needed during the numerical integration of the orbital motion of on artificial satellite/ Celestial Mechanics. Volz. 1970 p.p 207-217

21. Schwiderski, E. 1983, "Atlas of Ocean Tidal Charts and Maps, Part I: The Semidiurnal Principial Lunar Tide M2" Marine Geodesy 6, p.p 219-256

22. Eanes, R. J., and Bettadpur, S., 1995 "The CSR 3.0 global ocean tide model" Technical Memorandum CSR-TM-95-06, Center for Space Research, University of Texas, Austin, TX.

23. Fliegel, H.F, Т.Е. Galliny (1996) Solar Force Modeling of Block IIR Global Positioning Satellites, Journal of Spacecraft and Rockets, Vol. 33 No 6 p.p. 863-866

24. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС редакция 5.0; 2002г. -60с.

25. ГОСТ Р 51794-2001 «Системы координат».-12с.

26. Бронштейн И.Н. Семендяев К.А. Справочник по математике, перевод с немецкого Москва «Наука» 1980. -974с.

27. Seidelmann, Р.К., Guinot, В., Dogget, L.E., 1992, "Time", Chapter 2, p. 39, Explanatory Supplement to the Astronomical Almanac, Seidelmann, P.K., Ed., U. S. Naval Observatory, University Science Books, Mill Valley, CA.

28. Interface Control Document ICD-GPS-200C -160 p.p.

29. Hairer E., Norsett S.P., Wanner G Solviky Ordinery Differential Equation. I.: Non stiff Problems. Springer-Verlag, Besling Heidelberg, New-York, London, Paris, Tokyo, 1987

30. Munk W.H. and G.J.F. MacDonald, The Earth Rotation, Cambridge Univ. Press 1960 -323p.p.

31. Reber E.E., Swope J.R., On the correlation of total precipitable water in a vertical column and absolute himidity.-J.Appl. Meteorol., vol. 11, p.p. 1322-1325, 1972.

32. Klobuchar, J. Air Force Geophysical Laboratory, "Design and Characteristics of the GPS Ionospheric Time Delay Algorithm for Single Frequency Users" IEEE, New York, Now 4-7 1986. p.p. 280-286

33. Crane R.K., Refraction effects in the neutral atmosphere, in Methods of Experimental Physics, vol. 12B, 1976, p.p. 186-200.

34. Global mapping functions for the atmosphere delay at radio wavelengths. A.E.Niell J. of Geophys. Res., vol. 101, № B2, p.p. 3227-3246,10.02.1996

35. Geodesy by radio interferometry: effects of atmospheric modeling errors on estimates of baseline length, Radio Sci, vol. 20, p.p. 1593-1607,1985.

36. Поваляев А.А. «Формирование измерений псевдофазы в приемниках спутниковых радионавигационных систем GPS и ГЛОНАСС» Опубликовано в журнале "Радиотехника и электроника", Т 47, № 12,2002 г., стр. 1460-1473

37. Bierman G.J. "Factorization Methods for Discrete Sequential Estimation", Academic Press, Orlando, FL, 1977.45. "An Alternative Orbit Integration Algorithm for GPS-Based Precise LEO Authonomous Navigation." GPS Solutions 2001, Vol.5 p.p. 1-11

38. Li. J. 1995 "OTF GLONASS Carrier Phases." M.S. Thesis Univ. Maine. -128p.

39. Specification Wide Area Augmentation System (WAAS), U.S. Department of Transport, Federal Aviation Administration, FAA-E-2892B, March 10,1997 151p.p.

40. Open Ole. Recent Developments in the Fugro Starfix DGPS Service, Proc. Of DSNS-96, vol. 1. St. Petersburg, May 1996, Paper №33.

41. Интернет страница центра управления полетами http://www.mcc.rsa.ru

42. Измерение времени. Основы GPS К.Одуан, Б.Гино, перевод с английского Ю.С.Домнина М.: Техносфера 2002. -400с.

43. Бортовые устройства спутниковой радионавигации, под. ред. B.C. Шебшаевича М. «Транспорт» 1988г.-135с.