Модели и алгоритмы повышения точности оценкиотносительного положения и ориентации наземных объектовпо измерениям систем типа глонасс

-- [ Страница 1 ] --

На правах рукописи

Кочкин Дмитрий Евгеньевич

Модели и алгоритмы повышения точности оценки
относительного положения и ориентации наземных объектов
по измерениям систем типа ГЛОНАСС

05.13.18 — математическое моделирование,
численные методы и комплексы программ

Автореферат диссертации на соискание ученой степени
кандидата физико-математических наук

Воронеж – 2010

Работа выполнена на кафедре программного обеспечения и администрирования информационных систем Воронежского государственного университета.

Научный руководитель:	доктор физико-математических наук, профессор Артемов Михаил Анатольевич
Официальные оппоненты:	доктор технических наук, профессор Алексеев Владимир Витальевич
	доктор физико-математических наук, профессор Бобрешов Анатолий Михайлович
Ведущая организация:	Федеральное государственное унитарное предприятие «Ростовский-на-Дону научно-исследовательский институт радиосвязи»

Защита состоится « 30 » июня 2010 г. в 1510 на заседании диссертационного совета Д 212.038.20 при Воронежском государственном университете по адресу: 394006, г. Воронеж, Университетская пл., 1, ауд. 335.

С диссертацией можно ознакомиться в научной библиотеке Воронежского государственного университета.

Автореферат разослан « 28 » мая 2010 г.

Ученый секретарь
диссертационного совета Д 212.038.20

кандидат физ.-мат. наук, доцент Провоторов В.В.

Общая характеристика работы

Актуальность исследования. С развитием средств радиосвязи все более актуальным для обороноспособности страны становится локализация положения незарегистрированных источников радиоизлучения. Решением этой задачи занимаются службы радиомониторинга, использующие специальные пеленгационные комплексы. В состав аппаратуры комплекса должна входить навигационная система, определяющая его положение и ориентацию. Оптимальным выбором при этом оказываются глобальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС) типа ГЛОНАСС. Актуальность и важность проведения научных исследований для таких систем подтверждается Федеральной целевой программой «Глобальная навигационная система».

Данные о координатах комплекса, поступающие от навигационных приемников СРНС, подходят для применения службами радиомониторинга, а при использовании данных об ориентации объекта возникают следующие проблемы:

невозможно определить ориентацию неподвижного объекта;
измеряется направление движения объекта, а не ориентация;
не измеряется наклон платформы;
данные для определения ориентации доступны с запаздыванием до 2 сек.

Для расширения области применимости СРНС и повышения точности решения в работе предлагается использование фазовых измерений приемников СРНС. Распространенная модель фазовых измерений (см. работы Харисова В.Н., Дмитриева С.П. и др.) адаптируется для решения двух задач: высокоточной оценки относительного положения наземных объектов и оценки ориентации неподвижного объекта.

При решении этих задач осуществляется накопление данных для нескольких временных отсчетов, что приводит к появлению переопределенной системы уравнений. При решении этой системы возникают две основные сложности: во-первых, значения части неизвестных должны быть определены в пространстве целых чисел, во-вторых, наличие шумов и ошибок в работе аппаратуры приемника приводит к тому, что сами измерения нуждаются в предварительной обработке до их использования в системе. Таким образом, разработка алгоритмов для решения рассматриваемых задач должна осуществляться с применением методов математического моделирования.

Степень разработанности проблемы. Применение фазовых измерений СРНС для повышения точности рассматривается как отечественными, так и зарубежными учеными. Хотя в отечественной литературе и есть ряд работ, заслуживающих внимания (например, работы таких авторов, как Соловьев Ю.А., Антонович К.М., Сурков Д.М., Харисов В.Н., Дмитриев С.П., Степанов О.А. и др.), в целом отечественные научные исследования по этой проблематике находятся в стадии развития. Существенный вклад в развитие данного направления внесен учеными из Канады, США, Нидерландов и ряда других стран.

В спутниковой геодезии существует ряд методов, ограниченно применимых при решении рассматриваемых задач. Необходимость адаптации существующих и разработки собственных моделей и методов при решении задач в радиомониторинге вызвана следующими особенностями в постановке задач. Во-первых, отношение погрешности фазовых измерений к длине волны отличается у геодезических и навигационных приемников на порядок, что делает невозможным применение стандартных геодезических методик. Во-вторых, измерения для решения геодезических задач могут проводиться в наиболее благоприятные моменты исходя из особенностей спутниковой группировки. В-третьих, при решении геодезических задач ограничения по затрачиваемому времени являются менее значительными.

Цель и задачи исследования. Целью исследования является анализ и синтез математической модели фазовых измерений СРНС, реализация ее в виде комплекса методов и программ для повышения точности оценки относительного положения и ориентации наземных объектов. При достижении поставленной цели решены следующие задачи:

Исследование математической модели фазовых измерений сигналов СРНС, методов предварительной обработки фазовых измерений и методов определения целочисленных неоднозначностей фазовых измерений сигналов СРНС.
Разработка алгоритма для решения задачи оценки относительного положения наземных объектов с помощью СРНС.
Разработка алгоритма для решения задачи оценки ориентации объекта с помощью СРНС.
Разработка комплекса программ, реализующего алгоритмы, разработанные в пп. 2 и 3.

Объект и предмет исследования. Объектом исследования являются глобальные спутниковые радионавигационные системы (СРНС).

Предметом исследований являются:

модель фазовых измерений сигналов СРНС;
методы предварительной обработки фазовых измерений сигналов СРНС;
методы определения целочисленных неоднозначностей фазовых измерений сигналов СРНС.

Методологическая, теоретическая и эмпирическая база исследований. Методологической основой исследования являются системный подход, а также различные методы: математического моделирования, вычислительной математики, математической статистики. Теоретической базой исследования послужили фундаментальные и прикладные исследования в области космической навигации, геодезии, радиофизике; официальный интерфейсный контрольный документ «ГЛОНАСС», утвержденный Федеральным космическим агентством; материалы международных научных конференций по исследуемой проблеме. Эмпирической базой исследования являются фазовые измерения сигналов СРНС, а также модели и методы, используемые при работе с этими измерениями.

Научные результаты, выносимые на защиту. Анализ математической модели вторых разностей фазовых измерений, позволяющий говорить о наличии периодических составляющих, отсутствующих в исходной модели. Выполнена оценка матрицы коэффициентов решаемой системы уравнений, показавшая ее хорошую обусловленность на рассматриваемых интервалах накопления данных.

Разработан алгоритм для решения задачи высокоточной оценки относительного положения подвижных наземных объектов с помощью СРНС. Для алгоритма определены условия корректной работы по следующим параметрам: интервал накопления данных, количество спутников, характеристики периодических составляющих модели.

Разработан алгоритм для решения задачи оценки ориентации объекта с помощью СРНС. Для алгоритма определены точность стационарного определения азимута, минимальный временной интервал накопления. Выполнена оценка вероятности ложного срабатывания для критериев оценки достоверности решения, показавшая практическую невозможность ошибок такого рода.

Разработан комплекс программ для высокоточной оценки относительного положения и ориентации наземных объектов.

Научная новизна. В работе получены следующие результаты, характеризующиеся научной новизной:

Модель фазовых измерений сигналов СРНС для распространенных моделей приемников. Предложенное представление отличается от известных наличием дополнительных периодических составляющих, что позволяет спроектировать алгоритмы таким образом, чтобы повысить точность результатов.
Алгоритм высокоточной оценки относительного положения наземных объектов. Алгоритм основан на разработанной модели фазовых измерений СРНС и характеризуется методами предварительной обработки фазовых измерений и методом определения целочисленных неоднозначностей.
Алгоритм оценки ориентации наземного объекта с помощью фазовых измерений СРНС. Особенностями алгоритма являются введение дополнительных уравнений для более быстрого получения решения в стационарном варианте и наличие критериев оценки достоверности полученного решения.
Комплекс программ высокоточной оценки относительного положения и ориентации наземных объектов.

Теоретическая значимость работы заключается в предложенных методиках решения переопределенных систем линейных уравнений в пространстве , а также в методах предварительной обработки зашумленных измерений.

Практическая значимость. Разработанный комплекс программ для решения задачи высокоточной оценки относительного положения наземных объектов и задачи оценки ориентации объекта успешно применяется для навигационной поддержки систем радиомониторинга. Полученные результаты могут найти применение в геодезических работах для обработки измерений, выполненных в условиях неоптимальной конфигурации спутников СРНС, например, при работе в условиях высотной городской застройки.

Соответствие диссертации паспорту научной специальности. Представленная диссертация посвящена исследованию моделей и разработке алгоритмов для решения задач оценки относительного положения и ориентации наземных объектов с использованием измерений спутниковых навигационных систем типа ГЛОНАСС.

Область диссертационного исследования включает применение математического моделирования, численных методов и комплексов программ для решения научных и технических прикладных проблем, исследования математических моделей физических и технических объектов.

Указанная область исследования соответствует формуле специальности 05.13.18 — «Математическое моделирование, численные методы и комплексы программ» (физико-математические науки), а именно:

п. 5 «Реализация эффективных численных методов и алгоритмов в виде комплексов проблемно-ориентированных программ для проведения вычислительного эксперимента»;
п. 6 «Комплексное исследование научных и технических, фундаментальных и прикладных проблем с применением современной технологии математического моделирования и вычислительного эксперимента».

Реализация и внедрение результатов. Алгоритм, используемый для решения задачи оценки ориентации объекта с использованием СРНС, реализован как в аппаратном, так и в программном варианте. В настоящее время программно-аппаратная реализация внедрена в комплексах радиоконтроля ЗАО «ИРКОС» «Портативный пеленгатор АРТИКУЛ-П17 НАЛС.464349.125» и «Мобильная станция радиомониторинга и пеленгования «АРГУМЕНТ» НАЛС.464349.128», что подтверждено актом внедрения. Алгоритм, используемый для решения задачи высокоточной оценки относительного положения наземных объектов с использованием СРНС, реализован в программном варианте.

Апробация работы. Основные результаты по теме диссертационной работы докладывались и обсуждались на VII, VIII и IX Всероссийской научно-технической конференции «Авиакосмические технологии» (Воронеж, 2006, 2007, 2008), на XI и XV Международной научно-технической конференции «Радиолокация, навигация, связь» (Воронеж, 2005, 2009), на Международной научно-технической конференции «Системные проблемы надежности, качества, информационно-телекоммуникационных и электронных технологий в управлении инновационными проектами (Инноватика)» (Москва, 2007, 2008), на IX Международной научно-технической конференции «Кибернетика и высокие технологии XXI века» (Воронеж, 2008), на IX Всероссийской научно-технической конференции «Повышение эффективности средств обработки информации на базе математического моделирования» (Тамбов, 2009), на Международной конференции «Актуальные проблемы прикладной математики, информатики и механики» (Воронеж, 2009).

Публикации. Основные результаты диссертации опубликованы в 19 работах, из них 4 — в изданиях из перечня ВАК РФ. В статьях, написанных в соавторстве, личный вклад автора состоит в анализе моделей, разработке алгоритмов и комплексов программ для работы с СРНС.

Структура диссертации. Материал диссертационной работы изложен на 139 страницах. Работа состоит из введения, 5 глав, заключения, списка литературы и приложения. Содержит 43 рисунка и 9 таблиц. Библиография включает 107 наименований.

Содержание работы

Во введении обоснована актуальность темы диссертационной работы. Сформулированы объект, предмет, цели и основные задачи исследования, научная новизна и практическая значимость полученных результатов. Приведены данные по апробации и краткое содержание работы.

В первой главе приведены постановки задач, решаемых в работе. Описано устройство, принципы работы и использование GPS/ГЛОНАСС приемников в навигационных системах комплексов радиоконтроля. Выполнен аналитический обзор литературных данных по работам, посвященным исследованию и применению СРНС. Предложены следующие требования к навигационной системе в задачах радиомониторинга:

Решения задачи высокоточной оценки относительного положения наземных объектов с точностью 5 см.
Решение задачи оценки ориентации объекта с точностью 0,5 градуса.

Во второй главе рассмотрены основные математические модели, используемые в работе.

В первом разделе главы рассмотрена модель задачи высокоточной оценки относительного положения. Пусть имеется два приемника сигналов СРНС (см. рис. 1). Требуется определить вектор направления от одного приемника к другому (вектор базовой линии). Вектор должен быть определен в относительных координатах в геодезической системе координат. Опишем математическую модель, используемую при решении задачи оценки относительного положения. Модель предложена Ченгом в публикациях, посвященных задаче определения целочисленных неоднозначностей.

Геометрическая модель задачи-1