научная статья по теме ВЫСОКОТОЧНОЕ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЕ В ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ В АБСОЛЮТНОМ РЕЖИМЕ ЗА СЧЕТ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ПСЕВДОФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ Электроника. Радиотехника

Текст научной статьи на тему «ВЫСОКОТОЧНОЕ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЕ В ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ В АБСОЛЮТНОМ РЕЖИМЕ ЗА СЧЕТ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ПСЕВДОФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ»

РАДИОТЕХНИКА И ЭЛЕКТРОНИКА, 2015, том 60, № 8, с. 813-824

ТЕОРИЯ И МЕТОДЫ ОБРАБОТКИ СИГНАЛОВ

УДК 629.78

ВЫСОКОТОЧНОЕ МЕСТООПРЕДЕЛЕНИЕ В ГЛОБАЛЬНЫХ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВЫХ СИСТЕМАХ В АБСОЛЮТНОМ РЕЖИМЕ ЗА СЧЕТ РАЗРЕШЕНИЯ НЕОДНОЗНАЧНОСТИ ПСЕВДОФАЗОВЫХ ИЗМЕРЕНИЙ © 2015 г. А. А. Поваляев1, 2, А. Н. Подкорытов1

Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет), Российская Федерация, 125933 Москва, Волоколамское шос., 4

2ОАО "Российские космические системы", Российская Федерация, 111250 Москва, ул. Авиамоторная, 53 E-mail: thepompous@gmail.com Поступила в редакцию 31.07.2014 г.

Реализовано разрешение целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений при высокоточном абсолютном местоопределении потребителя в глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС). Выявлено базовое свойство информационной матрицы сингулярных систем линеаризованных уравнений в ГНСС, позволяющее осуществлять оценку координат с разрешением целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений. Рассмотрены детали алгебраических методов преодоления недостатка ранга, возникающего при использовании указанной процедуры. Предложены и исследованы модели измерений на исходных частотах GPS и ГЛОНАСС. Описан фильтрационный метод, позволяющий исключить влияние ионосферных задержек сигналов на оценки координат потребителя при обработке измерений на исходных частотах GPS и ГЛОНАСС. Продемонстрировано существенное повышение оперативности высокоточного местоопределения за счет разрешения целочисленной неоднозначности псевдофазовых измерений. Проведено сравнение качества местоопределения потребителя при использовании разделенных спутниковых поправок, вычисленных по локальной и глобальной сетям наземных станций сбора измерений.

DOI: 10.7868/S0033849415070141

ВВЕДЕНИЕ

В последние годы в глобальных навигационных спутниковых системах (ГНСС) активно развивается метод высокоточного местоопределения потребителя в абсолютном режиме (Precise Point Positioning, PPP [1]). Под абсолютным режимом понимается определение координат потребителя в геоцентрической системе координат, связанной с вращающейся Землей, на основе обработки только измерений псевдодальностей и псевдофаз навигационного приемника потребителя. В настоящее время можно говорить о так называемых глобальных дифференциальных навигационных спутниковых системах, в которых можно выделить сетевое решение (обработка измерений сети наземных станций) и пользовательское решение, т.е. высокоточное абсолютное местоопределение потребителя.

Режим высокоточного абсолютного местоопре-деления уже не является автономным и требует высокоточной эфемеридно-временной информации (ЭВИ), вычисляемой в сетевом решении. Вы-

сокоточное абсолютное местоопределение в ГНСС осуществляется при использовании высокоточной ЭВИ, компенсации ряда систематических смещений в измерениях и использовании точных, но неоднозначных псевдофазовых измерений. Сегодня ошибки таких определений в режиме постесеансной обработки достигают 1 см и менее для неподвижного приемника и нескольких дециметров для подвижного [1].

Классическим или стандартным в ГНСС называют режим высокоточного абсолютного ме-стоопределения, при котором не учитывается целочисленная природа неоднозначностей псевдофазовых измерений (метод Float PPP). В этом методе целочисленные неоднозначности псевдофазовых измерений вбирают в себя немоделируемые аппаратурные смещения и поэтому оцениваются как действительные числа [1]. Период сходимости решения к сантиметровой точности в методе Float PPP для многих приложений является неприемлемо длительным (несколько часов). Для его уменьшения при обработке необходимо использовать разрешение неоднозначности псевдофазо-

вых измерений (метод Integer PPP [2]). Для реализации метода Integer PPP необходимо отделить в используемой математической модели измерений немоделируемые аппаратурные смещения от целочисленных неоднозначностей. Это порождает сингулярность информационной матрицы системы линеаризованных уравнений ГНСС, т.е. приводит к недостатку ее ранга.

В настоящее время известно несколько подходов к реализации метода Integer PPP [2—6]. Авторами был выбран наиболее теоретически обоснованный метод использования модели разделенных часов, разработанный в министерстве природных ресурсов Канады (NRCan) [2], согласно которому показания часов в модели измерений разделяются в соответствии с типом и частотой измерений. Для устранения сингулярности в исходных системах уравнений в этом методе используется теория S-преобразований (S-Transfor-mations), подробно описанная в зарубежной литературе применительно к геодезическим сетям без учета особых свойств ГНСС [7]. В этой теории все исходные оцениваемые параметры объединены в линейные комбинации, число которых меньше числа исходных оцениваемых параметров, что устраняет сингулярность. При использовании данной теории в методе Integer PPP число оцениваемых параметров также уменьшается, но в виде комбинаций оцениваются не все параметры. Ряд параметров, к которым относятся поправки к грубым координатам потребителя, по-прежнему оценивается в неизменном виде, а комбинации псевдофазовых неоднозначностей сохраняют свойство целочисленности. Теоретическое обоснование данной особенности и алгебраические детали преодоления недостатка ранга для метода Integer PPP в литературе отсутствуют. В работе сформулировано базовое свойство сингулярных систем уравнений в ГНСС, позволяющее реализовать метод Integer PPP, а также исследованы особенности реализации метода Integer PPP для GPS и ГЛОНАСС.

1. МАТЕМАТИЧЕСКИЕ МОДЕЛИ ИЗМЕРЕНИЙ GPS И ГЛОНАСС С РАЗДЕЛЕННЫМИ ЧАСАМИ

Математические модели измерений псевдодальности и псевдофазы навигационного приемника с едиными часами (не разделенными) подробно описаны [8, 9]. Далее под моделью измерений будем понимать некоторый набор измерений (комбинаций измерений) приемника, используемый для решения поставленной задачи обработки измерений в ГНСС. Линеаризованная модель измере-

нии с разделенными часами на исходных частотах системы ОР8, представленная в [9, 10], имеет вид:

р^' = ^ + к£Дх + к' Ду + Дг + + тдт^ + йТр - йгЦ +1р1 + ел,

Р22' = ^ + кхДх + к' Ду + Дг +

+ mJADW + dTG - dtGj + kGlG'J + гGP2, lGJ = + hJX Ax + hj Aj + hi Az +

+ mJADW + dT% - dtLj - - XGnGj + eL,

GjGj

(1)

^1 = ^1 + кх Ах + к' Ду + к'г Аг + + т] АБ№ + йТр - йгЦ - - X 2 N1 + е *,

где р , Ц — измерения псевдодальности и

псевдофазы дляу-го спутника ОР8 на частоте

(/ = 1, 2) (м); ЕС, — геометрическая дальность от у-го спутника до точки с грубыми координатами

потребителя (м); к]х, к', к]г — направляющие косинусы; Ах, Ау, А1 — поправки к грубым координатам потребителя (м); А— нескомпенсированная компонента влажной составляющей вертикальной тропосферной задержки (м); ту — функция отображения дляу-го спутника; йТр, йТр2 и йТр,

йТЦ2 — псевдодальностные (кодовые) и псевдофазовые (фазовые) смещения показаний часов приемника потребителя относительно шкалы системы ОР8, включающие аппаратурные смещения приемника в измерениях Р21, Р2 и Ц'1, Ц2'1' (м); й^,

и йЦ, йЦ — известные из сетевого решения кодовые и фазовые смещения показаний часов у-го спутника относительно шкалы системы ОР8, включающие аппаратурные смещения спутника в

измерениях Р21, Ри Ц2,, Ц2^1 (м); I2 — наклонная ионосферная задержка сигнала у-го спутника ОР8

на частоте /1 (м); = )2/(/22)2; X1 = е//2 ~ ~ 0.19 (м), X22 = е//р « 0.24 (м) — длины волн несущих колебаний спутников на частоте /2; ^^,

N2J — целочисленные неоднозначности псевдофазовых измерений по у-му спутнику на частоте

(циклы); бр,-, 6Ц — шумовые ошибки соответствующих измерений (м).

В (1) и далее предполагается, что в измерениях

р , Ц скомпенсированы систематические смещения, связанные с эффектами релятивизма, гравитации, смещениями фазовых центров, приливными эффектами, 'шпё-ир-эффектом [1], тропосферной задержкой сигнала. Ошибки многолучевости считаются незначительными и включаются в шумовые ошибки. В модели (1) 8 + 3Мспуг (Мспуг — число спутников в обработке) оцениваемых параметров: Ах, Ау,

)G,J

Дг, Д^, с1т£ъ йт;ъ ¿ст^, ст22, ^N1 ...х2К,мспут,

X°2М22,1„.X2?'Мспут, /1ед...В силу присутствия разделенных часов и ионосферных задержек соответствующая система уравнений сингулярна и при Мспут > 4 имеет недостаток ранга равный трем (далее модель измерений (1) обозначается как P1P2L2L2).

Линеаризованная модель измерений с разделенными часами на исходных частотах системы ГЛОНАСС имеет вид

рЫ = в^ + кХ Дх + к1 Ду + Н'г Дг +

,в,у

+ т ДР^ + ^Тр1 - сИВ^ + 1В1 + ел,

тВ 1

р^ = В^ + кХ Дх + к! Ду + к'г Дг +

В

+ тДЦу + стрв2 - сИВ1 + кВ1В^ + ев2,

ТЯ1 Л^1 к1 к1

Рп = \ + -кхс7 Дх + кл Ду +

л в,7 л в, 1 л в, 1 л В,1

А} А1

кз2 к _, т

+ Дг +

л в, 1 л В, 1 "

А1 А

т + -

АВ

в, 1

(2)

- л*1 --В-1В,1 - ,

Р1 1В, 1 1 1 л В,у '

А1 А1

рВ,1 в,В,1

2

В, 1

к1 к1 — Дх + —Ду +

■ +

л 2

1

лВ,у л*1

л В,1

2 В

Ч Дг + ^ Д^ + ст1 + йТ* -

лВ,1

В! я/

Л 2 Л 2

- сВ - к- ^1 - N в, 1 + %,

л в, 1 1 2 л В,1 '

л 2 л 2

где индекс ^ означает принадлежность соответствующих переменных к системе ГЛОНАСС; нижние

индексы скорректированных измерений р1 , р2 ,

X , Р2 соответствуют номеру частотного диапазона системы ГЛОНАСС ^1: 1598.0625... 1605.375 МГц, L2: 1242.9375... 1248.625 МГц); ] — номер частотной

л В, 1 л в, 1

литеры спутника; и Л 2 — длины волн несущих колебаний спутниковых сигналов на частотах/в = = + уД/ и /,в,у = /¡2 + ]А/Ъ} = —7...6 номер частотной литеры спутника, = 1602 МГц, /В0 = 1246 МГц, А/1 = 0.5625 МГц, А/2 = 0.4375 МГц; /в,у — ионосферная задержка сигнала на частоте

/в (м); стр|, Стрв2 — кодовые смещения показаний часов приемника потребителя относительно шкалы системы ГЛОНАСС, включающие аппаратурные задержки приемника в измерениях Рв, Рв (м); СтЦ, йт^ — фазовые смещения показа-

ний часов приемника потребителя относительно шкалы системы ГЛОНАСС, включающие аппаратурные смещения в измерениях Р^/, Р1^1 /хв,y' (циклы); аВ\ , &В2 (м) и Ср = ЖВВ¡Х^ — у0\,

мВ2 = й1В2 /^В,У' — у 02 (циклы) — известные из сетевого решения кодовые и фазовые смещения п

Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.

Показать целиком

Пoхожие научные работыпо теме «Электроника. Радиотехника»