ИЗМЕРИТЕЛЬНО-ДИАГНОСТИЧЕСКАЯ ЛАБОРАТОРИЯ ДЛЯ ПРОВЕДЕНИЯ ИСПЫТАНИЙ НАВИГАЦИОННОЙ АППАРАТУРЫ ПОТРЕБИТЕЛЯ В МОБИЛЬНОМ РЕЖИМЕ

Полезная модель мобильная испытательно-диагностическая лаборатория для контроля навигационной аппаратуры потребителя и информационно-навигационных систем относится к системам контроля точностных характеристик навигационной аппаратуры потребителя (НАП), работающей по сигналам навигационных спутников космических навигационных систем ГЛОНАСС/GPS, в мобильном режиме навигационных определений, т.е. когда НАП устанавливается на транспортном средстве (ТС).
Информационно-навигационные системы, неотъемлемой частью которых является ГЛОНАСС/GPS приемник, нашли и находят все более широкое применение в диспетчерских системах. Так, информационно-навигационными системами (ИНС) оснащены диспетчерские службы городского коммунального хозяйства и Управления внутренних дел г.Королева.
Постоянно расширяющийся парк различных зарубежных и отечественных образцов НАП ставит перед разработчиком таких систем задачу выбора наиболее приемлемого образца для решения конкретных поставленных задач. Критерием для выбора необходимого образца НАП является оптимальное сочетание таких факторов, как точность навигационных определений, весово-габаритные характеристики, устойчивость к воздействию внешних факторов, энергопотребление и, в значительной степени, его стоимость. Последний фактор является особенно важным при необходимости закупок большого количества НАП. Правильный выбор образца НАП потребитель может сделать на основе сравнительных испытаний нескольких образцов НАП в одинаковых условиях их функционирования.
В качестве прототипа выбрана: Christopher R. Carlson. Practical Position and Yaw Estimation with GPS and Differential Wheelspeeds /Christopher R. Carlson, J. Christian Gerdes,
J.David Powell // Stanford University, Dynamic Design Laboratory, September 12, 2002.
Предлагаемая полезная модель мобильная испытательно-диагностическая лаборатория для контроля навигационной аппаратуры потребителя и информационно-навигационных систем отличается от прототипа наличием стационарного сегмента и составом аппаратных средств мобильного сегмента, а именно, дополнительным введением контрольного навигационного приемника, испытываемых образцов навигационной аппаратуры потребителя, компьютерами и функциональным назначением, предназначенным не для непосредственного осуществления навигации, а для контроля точности навигационных определений образцов навигационной ГЛОНАСС/GPS аппаратуры.
Предлагаемая полезная модель мобильная испытательно-диагностическая лаборатория для контроля навигационной аппаратуры потребителя и информационно-навигационных систем предназначается для проведения мобильных испытаний НАП и ИНС. Кроме того, разработана методика и комплекс программно-аппаратных средств, позволяющие оценить реальные точностные характеристики испытываемых образцов НАП.
Мобильная измерительно-диагностическая лаборатория (ИДЛ) состоит из двух сегментов:
- мобильного сегмента, предназначенного для регистрации показаний мобильного контрольного оборудования (МКО) и показаний испытываемой навигационной аппаратуры потребителя (НАП) - навигационных GPS/ГЛОНАСС приемников. Мобильный сегмент оборудуется на базе автомобиля;
стационарного сегмента, предназначенного для регистрации показаний стационарного контрольного навигационного приемника (КНП) ГЛОНАСС/GPS и последующей обработки совместно с данными, полученными в мобильном сегменте. В состав стационарного сегмента включают стационарный контрольный двухчастотный
ГЛОНАСС/GPS приемник в комплекте с антенной и антенным кабелем, персональный компьютер для сбора измерительной информации со стационарного контрольного приемника и технологический персональный компьютер для апостериорной обработки измерительной и навигационной информации, полученной в процессе экспериментов.
Схема проведения испытаний с использованием мобильной испытательной лаборатории представлена на фиг.1. При проведении экспериментов стационарный и мобильный контрольные приемники работают по общему созвездию наблюдаемых спутников ГЛОНАСС/GPS.
Антенна стационарного КНП располагается в месте, где обеспечивается максимально возможный обзор верхней полусферы пространства, например, на антенной площадке на крыше здания. Координаты посадочных мест антенной площадки предварительно определяются по отношению к Международной системе координат ITRF-2000. Ошибка определения этих координат составляет около одного сантиметра. В процессе проведения эксперимента измерительная и навигационная информация стационарного КНП записывается в память подсоединенного к нему персонального компьютера (ПК). Этот приемник выполняет функции контрольно-корректирующей станции, но с той разницей, что собранная с его помощью информация используется после окончания эксперимента при апостериорной обработке этой информации совместно с информацией мобильного КНП. Дополнительно к стационарному КНП может быть подсоединен внешний генератор частоты. Аппаратная часть стационарного сегмента, реализованного в настоящее время на средствах Информационно-аналитического центра (ИАЦ) координатно-временного и навигационного обеспечения (КВНО) ЦНИИМаш представлена на фиг.2, а антенная площадка, на которой установлена антенна стационарного КНП, представлена на фиг.3.
Антенна мобильного КНП располагается на крыше транспортного средства, например, автомобиля. В процессе проведения испытаний измерительная информация от
обоих приемников поступает синхронно с интервалом в одну секунду. Задачи, решаемые стационарным сегментом:
- сбор измерительной и навигационной информации в процессе эксперимента.
- обработка полученных данных совместно с данными, полученными на аппаратных средствах мобильного сегмента в процессе эксперимента.
Мобильный сегмент ИДЛ предназначен для регистрации показаний МКО и показаний испытываемых НАП при проведении эксперимента и реализовывается на базе автомобиля, оборудованного специальной аппаратурой. Аппаратура сегмента включает МКО и испытываемые образцы НАП.
В группу мобильного контрольного оборудования включают:
- Гироскоп или микроинерциальный измерительный блок, в состав которого входят гироскоп и акселерометры
- Одометрический датчик для измерения пройденного автомобилем пути
- Датчик заднего хода
- Контрольный навигационный приемник двухчастотный ГЛОНАСС/GPS
приемник
- Аналого-цифровой преобразователь
- Переносной персональный компьютер для регистрации показаний гироскопа (или микроинерциального измерительного блока), одометрического датчика, датчика заднего хода и контрольного приемника. Запись информации мобильного КНП, в зависимости от его типа, возможна и в его внутреннюю память.
- Переносные персональные компьютеры для регистрации показаний испытываемых НАП, количество которых определяется количеством испытываемых НАП и наличием необходимых портов у ПК для сбора информации с НАП.
В настоящее время ИДЛ может функционировать как с гироскопом, так и с микроинерциальным блоком.
Блок-схема аппаратной части и подключений мобильного сегмента показана на фиг.4.
Внешний вид аппаратуры мобильного сегмента показан на фиг.5.
Гироскоп обеспечивает определение угла поворота автомобиля в горизонтальной плоскости, что в совокупности с данными одометрического датчика позволяет определить траекторию движения автомобиля в горизонтальной плоскости при отсутствии навигации по спутникам - недостаточное количество видимых навигационных спутников.
Одометрический датчик обеспечивает определение расстояния, пройденного автомобилем при проведении эксперимента.
В составе ИДЛ могут использоваться два типа одометров.
1. Одометр, построенный на датчике-герконе (геркон - герметичный контакт), измеряющем частоту вращения колеса автомобиля или вторичного вала коробки передач автомобиля. Ответная часть геркона (магнит) может размещаться непосредственно на колесе или на другом элементе конструкции, имеющем пропорциональную с колесами угловую скорость вращения (например, вторичный вал коробки передач, вращающаяся часть спидометра). Для этого необходимы специальные доработки автомобиля.
2. Одометр, построенный на импульсном датчике антиблокировочной системы автомобиля (АБС). Датчик скорости вращения колеса представляет собой импульсный генератор, состоящий из установленного на ступице зубчатого магнитного колеса и индукционного датчика, регистрирующего скорость вращения колеса в данный момент времени. Такой датчик применяется при использовании автомобиля, оснащенного антиблокировочной системой, и не требует специальных доработок автомобиля.
Контрольный навигационный GPS/ГЛОНАСС приемник выполняет в составе ИДЛ две функции
- Записывает в процессе эксперимента измерительную и навигационную информацию, которая, совместно с измерительной информацией стационарного эталонного приемника используется для построения эталонной траектории движения,
- Обеспечивает привязку всех измерений датчиков (гироскопа или инерциального блока, одометрического датчика) к единой шкале времени GPS.
Аналого-цифровой преобразователь в составе мобильного контрольного оборудования обеспечивает оцифровку и ввод в ПК аналоговых сигналов гироскопа или инерциального блока, одометра, датчика заднего хода, секундной метки мобильного КНП.
Переносной персональный компьютер для регистрации показаний контрольного оборудования записывает оцифрованные сигналы перечисленных датчиков в процессе проведения экспериментов.
Переносные персональные компьютеры для регистрации показаний НАП записывают в процессе эксперимента результаты позиционирования - координаты, привязанные к временной шкале каждого испытываемого НАП, в свою память.
В основе метода лежит построение, так называемой, эталонной траектории движения транспортного средства (ТС) [1]. Эталонная траектория движения строится в апостериорном режиме на основе обработки синхронных кодовых и фазовых измерений стационарного и мобильного КНП. Эталонная траектория движения ТС представляет собой траекторию движения фазового центра антенны мобильного КНП, установленной на крыше ТС. Точностные характеристики испытываемого образца НАП определяются по отношению к эталонной траектории в синхронные моменты времени. Перед началом эксперимента антенны испытываемых НАП устанавливаются на крыше ТС в непосредственной близости от антенны эталонного мобильного приемника. В процессе
проведения экспериментов вся измерительная и навигационная информация с эталонных приемников и перечисленных датчиков, а также с испытываемых НАП, записывается в память соответствующих ПК. Аналоговые выходные сигналы датчиков оцифровываются с помощью аналого-цифрового преобразователя и привязываются к системному времени GPS с использованием синхроимпульса мобильного эталонного приемника. После окончания эксперимента вся собранная информация переносится на технологический ПК, на котором с помощью специально созданной методики и разработанного программно-математического обеспечения определяется эталонная траектория движения ТС в горизонтальной плоскости, строятся траектории с результатами позиционирования для каждого из испытываемых НАП, в синхронные моменты времени определяются отклонения координат испытываемых НАП от эталонной траектории. На открытых участках движения ТС, где обеспечивается одновременная видимость стационарным и мобильным эталонными приемниками не менее четырех навигационных ГЛОНАСС/GPS спутников, эталонная траектория движения определяется в результате совместной обработки измерений мобильного и стационарного КНП. В затененных условиях городской застройки, где количество видимых навигационных спутников недостаточно для определения эталонной траектории, привлекается измерительная информация инерциальных и одометрического датчиков. Проведенные экспериментальные исследования показали, что на открытых участках движения ТС, точность построения эталонной траектории движения ТС составляет несколько сантиметров в плановых координатах [1], [2], а на затененных не превышает 0.5 метра на интервале движения не более 10 минут. Данные точностные характеристики позволяют использовать полученную эталонную траекторию в качестве, своего рода, инструмента для оценки погрешностей позиционирования испытываемых НАП в мобильном режиме их работы в условиях городской застройки. Как показали результаты многочисленных проведенных испытаний [1]-[3], ошибки позиционирования современных образцов НАП лежат в диапазоне от 0.5
до 10 метров на открытых участках, до сотен метров и полного отсутствия навигации в зависимости от степени затененности участка движения.
Задача построения эталонной траектории движения ТС решается в два этапа. На первом этапе строится траектория движения ТС на открытых участках движения, где наблюдается не менее четырех КА ГЛОНАСС/GPS. Построение эталонной траектории производится дифференциальным методом по осредненным кодовым измерениям стационарного и мобильного КНП. Осреднение кодовых измерений производится с использованием фазовых измерений на двух частотах. Далее формируются фрагменты траектории движения на открытых участках в плане. На втором этапе строится вся траектория движения ТС в плане. В качестве входных данных используются координаты плановых фрагментов траектории на открытых участках, а также измерительная информация одометра и гироскопа. Задача решается методом наименьших квадратов. Минимизируются невязки плановых координат на открытых участках траектории ТС. Уточняются пять параметров - плановые координаты и ориентация ТС в начальный момент времени, масштабный коэффициент одометра и уход гироскопа.
Литература
1. Аболь В.В., Бермишев А.А., Евтушенко Д.А., Итин П.Г. Комплекс  программно-аппаратных средств для испытаний навигационной аппаратуры потребителя в мобильном режиме работы с использованием эталонной траектории движения транспортного средства // Труды XI Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам. - С.-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор». - 2004. - с.67-74.
2 Аболь В.В., Бермишев А.А., Лапшин В.Л., Сюсин А.В. Результаты использования передвижной испытательно-диагностической лаборатории для тестирования навигационной аппаратуры потребителя и коррекции электронных карт местности // Труды XIII Санкт-Петербургской конференции по интегрированным навигационным системам. - С-Петербург: ЦНИИ «Электроприбор». - 2006. - с.67-74.
3. Аболь В.В., Бермишев А.А., Итин П.Г., Лапшин В.Л. Передвижная испытательно-диагностическая лаборатория для проведения испытаний навигационной аппаратуры потребителя // Гироскопия и навигация. - С.Петербург, 2006, №1-с .59-66.