Результаты тестирования прототипа высокоточной GPS-системы определений параметров угловой ориентации и относительных координат движущихся объектов

Для проведения экспериментальных исследований* (тестирования) разработанного прототипа высокоточной GPS-системы определений параметров угловой ориентации (ПУО) движущихся объектов был создан макет угломерной системы (рис. 1). В данном случае был реализован вариант угломерной системы с использованием независимых GPS приемников с несинхронизированными часами.


макет угломерной системы на основе GPS

Рисунок 1. Макет угломерной системы; базовые расстояния: 1,546 м (2-1), 1,542 м (4-1), ~2,166 м (3-1); длительность интервала наблюдений при проведении тестирования: ~5 часов


Состав макета угломерной системы для определения ПУО подвижных объектов:

  • опорно-поворотный механизм установки;
  • 4 приемника – два двухчастотных приемника NovAtel DL-V3 (приемные антенны NovAtel-702GG (1) и Antcom G5Ant-52AT1 (3)) и два одночастотных приемника NovAtel OEM6 с соответствующими приемными антеннами Tallysman TW3430 (2, 4);
  • устройство регистрации GPS наблюдений (ноутбук);
  • источник питания;
  • программное обеспечение для работы с приемниками NovAtel;
  • отечественное программное обеспечение «OCTAVA» послесеансной обработки и анализа GPS наблюдений
  • разработанный прототип специального программного обеспечения для определения параметров угловой ориентации подвижных объектов.

Кроме задачи угловых определений в рамках проведенных работ также рассматривалась и решалась задача относительного высокоточного позиционирования/навигации (по фазовым GPS наблюдениям) сближающихся/удаляющихся подвижных объектов (т.н. режим «moving base») на удалениях между объектами до ~200 м (интервал наблюдений составлял ~40 минут).

При проведении тестирования для сопоставления и контроля качества координатных определений в кинематическом режиме измерений для решения обеих указанных задач также использовались наблюдения перманентной референцной GPS станции SURE (ХНУРЭ).

Главные задачи экспериментальных исследований (тестирования) заключались в:

  • определении (в одночастотном и двухчастотном режимах измерений) минимальных интервалов наблюдений (т.н. TTFF – Time To First Fixed), на которых обеспечивается надежное разрешение (фиксация) целочисленной фазовой неоднозначности (РФН) при кинематических определениях – как в задаче определения ПУО, так и в задаче относительной навигации при сближении объектов;
  • оценке точности определения ПУО (в условиях проведения тестирования) и определения относительных координат сближающихся/удаляющихся объектов.

Основные результаты тестирования


1. Как показали исследования, в случае использования двухчастотных наблюдений задача РФН надёжно (с частотой 100%) решается для каждой отдельной эпохи при определении векторов баз как в задаче оценки ПУО, так и в задаче относительных определений сближающихся объектов в режиме «moving base». При этом нет необходимости использовать ограничивающие условия в задаче определения ПУО, когда известны (либо заранее определены с миллиметровой точностью) базовые расстояния между фазовыми центрами (ФЦ) приемных антенн угломерной системы.

2. В случае использования только дночастотных наблюдений для надежного решения задачи РФН требуется не менее 7 минут, так как в условиях проведения тестирования превалировала сильно коррелированная по времени многолучевая составляющая погрешностей кодовых и фазовых GPS наблюдений. Для повышения надёжности РФН одночастотных наблюдений были использованы ограничивающие условия – информация о точных базовых расстояниях между ФЦ антенн. Базовые расстояния определялись экспериментально в ходе предварительной калибровки. В табл. 1 приведены вероятности (частота) правильной фиксации целочисленных фазовых неоднозначностей с использованием и без использования ограничивающих условий.


Таблица 1 – Надежность РФН одночастотных наблюдений

Длительность выборки наблюдений, T (сек/мин) Вероятность (частота) правильной фиксации целочисленных фазовых неоднозначностей, %
Без ограничивающего условия (L1 антенны «Tallysman») С ограничивающим условием (L1 антенны «Tallysman») Без ограничивающего условия (L1L2 антенна «Antcom») С ограничивающим условием (L1L2 антенна «Antcom»)
5 сек - - 82 91
30 сек - - 90 95
60 сек 47 74 91 100
180 сек (3 мин) 74 83 95 100
300 сек (5 мин) 74 100 95 100
420 сек (7 мин) 85 100 100 100
600 сек (10 мин) 100 100 100 100

На надёжность РФН существенно влияют характеристики используемых приемных антенн. Так, в табл. 1 приведены результаты для двух различных антенн: одночастотной антенны Tallysman TW3430 и двухчастотной антенны Antcom G5Ant-52AT1 (в качестве антенны опорного/первого пункта прототипа угломерной системы использовалась двухчастотная антенна NovAtel-702GG). Очевидно, что во втором случае надежность РФН заметно выше даже без использования ограничивающего условия, что объясняется различием приемных антенн Antcom G5Ant-52AT1 и Tallysman в части уровня подавления многолучевости.

3. В табл. 2 приведены точностные характеристики (RMS) определения ПУО, которые были получены в ходе экспериментов с макетом угломерной системы.


Таблица 2 – Точность определения углов (ПУО)

Курс (yaw) Крен (roll) Тангаж (pitch)
СКП (RMS), угл. град. 0,06 0,3 0,28

4. При решении задачи относительных кинематических определений/навигации сближающихся объектов (режим измерений «moving base») погрешности позиционирования (RMS) не превышали 10 мм по всем трем координатам на базовых удалениях ~200 м в течение всего сеанса измерений (~40 мин.).

5. Дальнейшие исследования.

В данном случае был реализован и исследован вариант угломерной системы с использованием отдельных GPS приемников с несинхронизированными часами. В таком варианте построения системы по GPS/GNSS наблюдениям требуется совместно оценивать текущие векторы измерительных баз и расхождения часов приемников. Такой подход имеет как недостатки (расширенный вектор состояния), так и определенные достоинства, что и рассматривается в соответствующей специализированной научной литературе.

Другой подход, который в дальнейшем целесообразно для сравнения реализовать и исследовать, предполагает построение угломерной специализированной системы, где аппаратно формируется одна шкала времени для отдельных приемников (обычно несколько OEM модулей приемников объединяют на одной плате). В этом случае оцениваются только текущие векторы измерительных баз, а РФН выполняется для одинарных, а не двойных разностей фазовых наблюдений. В таком варианте реализации системы можно ожидать улучшение надежностных характеристик фазовых решений и повышение точности определения параметров угловой ориентации. Но при этом появляется и проблема высокоточной калибровки разностей фазовых задержек в измерительных трактах системы, которая не возникает в первом варианте построения угломерной системы.

Существуют и другие подходы улучшения характеристик фазовых решений и повышения точности определения параметров угловой ориентации. Интерес представляет реализация подхода, при котором РФН выполняется одновременно для всех базовых линий системы, но при этом учитываются все априорные ограничивающие линейно-угловые условия – информация о базовых расстояниях и углах между векторами баз.


Скачать экспресс-релиз [Ru]