Суть решения задачи ориентации

Навигационно-временные определения, основанные на фазовых методах измерений, отличаются беспрецедентно высокой точностью. Например, потенциальная точность оценки задержки по фазе несущей частоты определяется соотношением [21], где – отношение сигнал/шум (отношение энергии сигнала к спектральной плотности аддитивного шума наблюдения). При рабочих значениях имеем . Таким образом, потенциальная точность фазовых измерений составляет сотые доли периода сигнала на несущей частоте, что соответствует сотых долям длины волны излучаемого сигнала, т.е. миллиметрам.

В настоящее время фазовые методы измерений наиболее активно используются для решения задач инженерной геодезии, где требуемая точность относительных измерений плановых координат и нормальных высот составляет 1…20 мм, что не может быть достигнуто методами измерения задержки сигнала по коду, потенциальная точность которых составляет единицы метров. Фазовые измерения обеспечивают реальную возможность достижения на коротких расстояниях (до 1…2 км) точности передачи плановых координат порядка 0,5 мм и высот примерно 1 мм [21]. Перспективным является применение фазовых методов измерений и для высокоточной навигации подвижных объектов, а также для определения параметров их пространственной ориентации.

Непосредственно фазовые измерения эквивалентны измерению псевдодальностей с неопределенной составляющей, равной целому числу длин волн несущей частоты. Поэтому основная проблема фазовых измерений – их неоднозначность в целое число циклов, которая имеет место, например, при восстановлении сигнала в случае его временной потери из-за помех естественного или искусственного происхождения. Из-за этого прямое использование фазовых измерений целесообразно только для сглаживания менее точных, но однозначных псевдодальномерных измерений по коду. Измеряемым радионавигационным параметром при использовании фазовых методов является разность фаз принимаемого спутникового сигнала на несущей частоте [где – полная фаза в циклах сигнала спутника, принимаемого в -м приемнике в момент времени ; – полное число циклов фазы от момента излучения; – дробная часть (в долях цикла) фазы] и опорного сигнала , сформированного в приемной аппаратуре СНС, т.е. где – фактически измеренное (в долях цикла) значение разности фаз; – неоднозначность фазовых измерений.

Разрешение неоднозначности можно выполнять на уровне как первичной (измерение радионавигационных параметров), так и вторичной (вычисление координат и составляющих вектора линейной скорости потребителя) обработки навигационной информации.

В дифференциальном режиме для определения относительных координат и взаимного расхождения шкал времени используют разности измерений псевдодальностей до одного и того же для одинаковых моментов времени в разнесенных точках приема. Поэтому для дифференциального режима первые разности измерений псевдодальностей по огибающей кода и фазе несущей частоты можно записать в виде:

(13.1.1)

где – разность геометрических дальностей в -й момент времени между -м и двумя точками приема по -му частотному каналу; – нескомпенсированные погрешности измерения псевдодальностей, обусловленные в основном нестабильностью опорных генераторов двух ПА СНС, размещенных в точках приема; – длина волны сигнала, излучаемого -м по -му частотному каналу; – смещение в целое число длин волн (неоднозначность) в фазовых измерениях; , – флуктуационные (шумовые) составляющие измерений псевдодальностей по огибающей и фазе сигнала.

Неоднозначность фазовых измерений отражена в (13.1.1) составляющей . Для исключения систематических погрешностей в измерениях (13.1.1), обусловленных нестабильностью опорных генераторов двух ПА СНС, на практике в большинстве случаев используют вторые разности фазовых измерений, уравнения для которых имеют вид, аналогичный (13.1.1). При этом если первые разности это разности одновременных измерений двумя приемниками сигнала одного и того же спутника, то вторые - разности первых, полученных по измерениям для разных . Кроме того, если измерения в приемниках проводить синхронно, то также исключается влияние различия шкал времени в ПА СНС. Однако использование вторых разностей не устраняет неоднозначности фазовых измерений. Одним из путей решения данной проблемы является применение третьих разностей – приращения вторых разностей псевдодальностей за некоторое время. Известны результаты по использованию в ПА СНС, работающей по сигналам ГЛОНАСС, третьих разностей. Недостатком этого подхода является длительное время наблюдения (~20 мин) для получения оценки вектора базы с сантиметровой точностью.

Классификация методов разрешения неоднозначности фазовых измерений может быть выполнена по используемой для этих целей информации. В ГЛОНАСС и GPS для этого служат: оценки координат, априорные и полученные с помощью навигационных систем иного типа; измерения по огибающей кода радиосигнала; избыточность измерений псевдодальностей по фазе несущей и огибающей кода сигнала.

Наиболее эффективные процедуры разрешения неоднозначности основаны на избыточности фазовых измерений, когда число измерений фазы больше числа неизвестных параметров. Это приводит к расширению окрестности вокруг искомого решения, в которой отсутствуют другие возможные решения. В этом и состоит эффект избыточности фазовых измерений, для обеспечения которой необходимо наблюдение значительного (пять и более) числа и (или) использование второго частотного канала.

Рассмотрим возможность использования ПА СНС GPS/ГЛОНАСС с фазовыми разностными (интерферометрическими) измерениями для определения параметров ориентации или поправок к параметрам ориентации. Усовершенствование бортовой аппаратуры потребителей СНС, которое заключается в построении антенной интерферометрической системы, блока приема и измерителей разностей фаз сигналов и соответствующего математического обеспечения, предоставляет возможность определения параметров ориентации объекта.

Интерферометрический принцип решения задачи ориентации в СНС показан на рис.13.1.2, где предполагается, что сигналы от одного в виде плоской волны поступают на две антенны (здесь: - трехмерный вектор, характеризующий отстояние в связанной системе координат - ой антенны относительно опорной ; - направление орта на в точке приема; – угол между базой и направлением на ). Обоснованность предположения о плоском характере волны объясняется значительной удаленностью источника сигнала по сравнению с расстоянием между антеннами (длиной базы - ).

Рис.13.1.2. Интерферометрический принцип решения задачи ориентации в СНС

 

Очевидно, что в единицах дальности полная разность фаз сигналов, принимаемых в точках размещения антенн , определяется как

, т.к. () (13.1.2)

где - разность дальностей до на базе , - длина волны излучаемого сигнала.

В общем случае с учетом того факта, что длина базы между антеннами превышает половину длины волны, измерения фазы от для баз можно представить в виде

, (13.1.3)

что представляет собой значение направляющего косинуса орта относительно базы . При этом значения направляющих косинусов орта вектора в связанных с объектом осях будут равны

(13.1.4)

где , - декартовые координаты точки расположения антенн , относительно ц.м. объекта в связанных осях.

С другой стороны, располагая измеренными по данным ПА СНС декартовыми координатами объекта (координатами опорной антенны и известными эфемеридами в гринвичской системе координат), можно рассчитать направляющие косинусы орта соответственно в гринвичской и географической системах координат

, (13.1.5)

, (13.1.6)

где - матрица перехода от гринвичских к географическим осям.

Искомая матрица ориентации объекта может быть найдена из следующей системы уравнений при наблюдении нескольких относительно баз . При этом предварительно должна быть решена задача оценки смещений в целое число длин волн (неоднозначность в фазовых измерениях).

. (13.1.7)

Для получения выходных параметров ориентации, т.е. углов , по информации о вычисленных составляющих матрицы можно воспользоваться соотношениями (2.2.20)…(2.2.23). Отметим, что если на борту подвижного объекта имеется информация об углах , выработанная, например, ГГК (ПА СНС используется в рамках навигационной системы счисления пути - НССП), то можно, используя данную методику, построить аналогичным образом алгоритм определения поправок к этим углам.

При использовании информации СНС в НССП следует учесть отстояние фазового центра антенны ПА СНС относительно места расположения ГГК, которое зададим составляющими радиус-вектора в связанной с корпусом объекта системе координат . Векторы линейной скорости места расположения ГГК и фазового центра антенны ПА СНС связаны следующим соотношением

. (13.1.8)

С учетом этого проекции вектора поправок к линейной скорости фазового центра антенны ПА СНС на оси связанного трехгранника будут:

(13.1.9)

а проекции вектора линейной скорости места расположения ГГК, полученные по информации СНС, на оси горизонтной системы координат будут равны:

 

 

,

. (13.1.10)