Методика и результаты оценки точности определения скорости и координат с использованием спутниковых приемников

УДК 629.05

А. В. МОТОРИН, A. A. МЕДВЕДКОВ, А. П. САЛТЫКОВ[*]

(ОАО “КОНЦЕРН “ЦНИИ “ЭЛЕКТРОПРИБОР”, РОССИЯ, САНКТ-ПЕТЕРБУРГ)

МЕТОДИКА И РЕЗУЛЬТАТЫ ОЦЕНКИ ТОЧНОСТИ ОПРЕДЕЛЕНИЯ СКОРОСТИ И КООРДИНАТ С ИСПОЛЬЗОВАНИЕМ СПУТНИКОВЫХ ПРИЕМНИКОВ

На сегодняшний день среди приемников спутниковой навигации встречаются модели, которые не полностью отвечают указанным в спецификации характеристикам точности. В статье представлена методика проверки точности показаний координат и скорости приемников спутниковой навигации. Приводятся результаты ходовых испытаний бюджетной модели GPS приемника морского применения на Ладожском озере с использованием разработанной методики.

Введение

В настоящее время относительно недорогие приемники спутниковой информации широко используются в инерциальных навигационных системах для коррекции погрешностей навигационного решения и инерциальных датчиков [1]. Для использования таких приемников, например, в интегрированных системах ориентации и навигации, зачастую, требуется изменение конфигурации спутниковой приемной аппаратуры для повышения точности при различных внешних условиях. Но в большинстве случаев, недорогие приемники, обладают ограниченными возможностями изменения их конфигурации для конкретных условий эксплуатации. В качестве примера можно привести наличие в программном обеспечении приемника функции сглаживания или осреднения показаний без возможности ее отключения. Дополнительные сложности возникают в связи с тем, что о наличии «нежелательных» функций не всегда можно узнать из описания приемника, предоставляемого производителем. В настоящем докладе представлена методика оценки точности бюджетных приемников спутниковой навигации на предмет соответствия их действительной и заявленной точности, а также выявления негативных эффектов, неприемлемых при определенных условиях эксплуатации.

Методика расчета эталонных значений координат и скорости

В пердлагаемой методике определения точностных характеристик приемников спутниковой информации для получения эталонных значений используются данные двух ГЛОНАСС/GPS приемников, в том числе фазовые измерения несущей, позволяющие, как известно, определить ориентацию антенной базы [2, 7, 8].

Схематичное расположение антенн представлено на рис. 1, где точками А0, А1 и А2 показаны места расположения антенны проверяемого приемника и антенн эталонных приемников соответственно.

Рис. 1. Схематичное расположение антенны проверяемого и эталонного приемников

Эталонные широта долгота и высота () формируются путем пересчета координат основной антенны эталонного приемника (), работающего в дифференциальном режиме, на точку расположения антенны поверяемого приемника согласно следующим соотношениям:

, , (1)

где R – радиус Земли, – проекции плеча на оси географического сопровождающего трехгранника, определяемые как

(2)

При расчете используются значения азимута K и наклона антенной базы ψ, полученные по вторым разностям фазовых измерений от антенн А1 и А2 с использованием алгоритма, изложенного в [2]. В данном алгоритме предусмотрена процедура исключения неоднозначности фазовых измерений, связанной с неопределенностью целого числа периодов несущей сигнала, что позволяет определять углы ориентации антенной базы с точностью до десятых долей градуса. Эталонные значения составляющих скорости определяются по показаниям скорости двух приемников также с приведением в точку размещения антенны исследуемого приемника:

, (3)

где – составляющие скоростей, вырабатываемые первой и второй антеннами эталонных приемников, L – длина антенной базы.

В методике предусматривается расчет среднеквадратических ошибок (СКО) эталонных значений скорости () и координат () в точке расположения испытываемого приемника:

, (4)

где – СКО координат и скоростей от приемника в точках крепления его антенн, – СКО углов курса и качки. Эти значения позволяют судить о точности эталона во время проведения испытаний.

Эталонное средство

Как эталонное средство использовались одночастотные ГЛОНАСС/GPS приемники МПВ 1К-161 с разнесенными антеннами и средневолновый (283,5-325,0 кГц) приемник корректирующей информации для получения и обработки параметров диффпоправок в формате RTCM. Указанные приемники серийно выпускаются [6] и имеют сертификат об одобрении типового изделия Российского Речного Регистра. Они входят в состав интегрированной системы навигации и ориентации ИСОН-1 [2], разработанной в «ЦНИИ «Электроприбор» совместно с кафедрой ИНС СПбНИУ ИТМО. Антенны МПВ располагаются на едином кронштейне на расстоянии 1,5м. Схема расположения компонентов ИСОН-1 и проверяемого приемника показана на рис. 2.

Рис. 2. Расположение центрального прибора ИСОН-1 и проверяемого GPS приемника

Испытываемое оборудование

Разработанная методика была апробирована на бюджетной модели GPS приемника спутниковой навигации морского назначения, совмещенного с антенной.

Рис. 3. Точностные характеристики испытываемого оборудования

Точностные характеристики, представленные в спецификации испытываемого приемника, показаны на рисунке 3 и являются типовыми для такого класса изделий.

Перед проведением испытаний были изучены настройки проверяемого приемника и возможности их изменения. При этом было обращено внимание на наличие в приемнике функции «Speed filter». Несмотря на свое название, данная функция не влияет на выработку скорости, а выполняет осреднение координат на некотором интервале времени. Эта функция может быть принудительно выключена, включена с заданным интервалом осреднения либо установлена в режим «Auto», который предполагает автоматическое включение осреднения на малых скоростях и выключение на высоких скоростях. Заводской установкой для функции «Speed filter» значение «Auto». В ходе испытаний проверяемый приемник проверялся при двух значениях функции «Speed filter» - «Auto» и «Off».

Условия проведения испытаний

Испытания проводились на Ладожском озере в районе бухты Владимирская на маломерном судне в условиях качки, достигавшей 10 градусов. В ходе испытаний скорость судна варьировалась от 0 до 7 уз. При этом осуществлялось как прямолинейное движение, так и циркуляции. Координаты основного МПВ 1К-161 определялись в дифференциальном кодовом режиме в реальном времени. Предельный возраст RTCM-сообщений, используемых для расчета диффпоправок, составлял 1мин. При проведении испытаний RTCM-сообщения принимались по сигналам от радиомаяка Шепелёвский 2 (59°59′08″ N, 29°07′40″ E).

Результаты испытаний

В ходе испытаний вычислялись СКО эталонных значений координат и скорости (Рис.4, 5). Из рисунков 4 и 5 видно, что СКО эталонных координат не превысило 3 метров, а СКО эталонных скоростей изменялось от 0.02 до 0.04 узлов, что представляется достаточным для проверки GPS приемника в обычном (недифференциальном режиме).

Рис. 4. СКО эталонных значений координат (м) на промежутке от 0 до 120 мин.

Рис. 5. СКО эталонных значений скорости (узлы) на промежутке от 0 до 120 мин.

На рис. 6,7 и 8 представлены результаты сравнения показаний испытываемого приемника и эталонных значений. Следует отметить, что на рис.6 представлены данные при включенной функции «Speed filter» в режиме «Auto», в то время как на рис.7 представлены данные без использования этой функции у проверяемого приемника. Верхние графики на рис. 6, 7 и 8 демонстрируют радиальные горизонтальные отклонения испытываемого приемника по координатам (рис. 6, 7) и скорости (рис. 8) от эталонных значений. Эти отклонения и рассматриваются как ошибки проверяемого приемника по соответствующим параметрам. Здесь также представлены встроенные графики, где для ограниченных интервалов показаны одновременно показания испытываемого приемника и эталонные значения, позволяющие выявить особенности работы приемника. Чтобы установить связь ошибок с характером движения судна, внизу рис. 6,7 и 8 приведены графики с путевой скоростью судна.

Рис. 6. Зависимость радиальной ошибки по координатам (м) в зависимости от путевой скорости (узлы) при использовании функции «Speed filter» в режиме «auto».

Рис. 7. Зависимость радиальной ошибки по координатам (м) в зависимости от путевой скорости (узлы) с отключенной функцией «Speed filter».

Из рисунков 6 и 7 видно, что при включенной функции «Speed filter» в режиме «auto» на малых скоростях происходит осреднение координат, которое приводит к запаздыванию показаний от испытываемого приемника (видно в выделенных графиках на рис.6). В результате происходит нарастание ошибки определения координат, которая достигает 18 метров. Такая ошибка не соответствует, указанным в спецификации, СКО по координатам. Когда функция «Speed filter» выключена у проверяемого приемника, погрешность выработки координат не превышает 4 метров, что соответствует данным в спецификации.

Рис. 8. Зависимость радиальной ошибки по скорости (узлы) в зависимости от путевой скорости (узлы) судна.

Из рисунка 8 видно, что также происходит запаздывание скорости испытываемого приемника относительно эталонной скорости (выделенные графики) из-за осреднения показаний. В результате чего происходят выбросы в погрешности по скорости, достигающие 1.6 узла, что не соответствует данным СКО, указанным в спецификации. Также из рисунка 8 (выделенные правые графики) видно, что на малых скоростях происходит эпизодическое обнуление скорости. Это также приводит к увеличению погрешности выработки скорости. Следует отметить, что функцией осреднения скорости в данной модели приемника управлять нельзя.

Заключение

Разработана эффективная методика оценки точности приемников спутниковой навигации, основной особенностью которой является использование двух эталонных приемников и фазовых измерений курса. Данная методика апробирована на бюджетной модели спутникового приемника для морского применения в ходе натурных испытаний. По результатам испытания для данной модели приемника было выявлено негативное влияния функций осреднения скорости и координат места на точность выработки этих параметров. На малых скоростях (менее 1 узла) был выявлен эффект обнуления скорости. Были оценены погрешности выработки навигационных параметров данным приемником, которые превышают указанные в спецификации значения СКО для этих параметров.

ЛИТЕРАТУРА

1) Анучин системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов, / , (под общей ред. акад. РАН ) // СПб.: ЦНИИ "Электроприбор", 2003.

2) Блажнов относительной траектории движения и углов ориентации по фазовым спутниковым измерениям и данным микромеханического гироскопа./ , // Гироскопия и навигация№4.- C. 15-34.

3) Блажнов, разработки двухантенной спутнико-инерциальной системы / [и др.] // Гироскопия и навигация№ 4. - С.123-124.

4) Christopher J. Hegarty, Understanding GPS Principles and Applications, Second Edition / Christopher J. Hegarty., Elliott D. Kaplan //., Norwood: ARTECH HOUSE, INC, 2006.

5) B. Hofmann-Wellenhof Global Positioning System - Theory and Practise Springer / B. Hofmann-Wellenhof, H. Lichtenegger, J. Collins // Wien New York, 1992.

6) http://www. *****

7) , , «Исследование методов решения зада-чи ориентации с использованием спутниковых систем,» Гироскопия и навигация, № №2(25), pp. 30-55, 1999.

8) , , «Об использовании фазовых измерений для задачи ориентации в интегрированной инерци-ально-спутниковой системе,» Гироскопия и навигация, № №1, p. 26–35, 2010.

Согласовано с научным руководителем

[*] Научный руководитель: д. т.н., ведущий научный сотрудник «ЦНИИ «Электроприбор»,.