СПОСОБ АНАЛИЗА КАЧЕСТВА ФОРМИРОВАНИЯ И ПЕРЕДАЧИ ДИФФЕРЕНЦИАЛЬНЫХ ПОПРАВОК ПО ЗАПРОСУ ОТ ТОПОПРИВЯЗЧИКА ПОТРЕБИТЕЛЮ
METHOD OF GENERATING AND TRANSMITTING DIFFERENTIAL CORRECTIONS UPON REQUEST FROM SURVEYING SYSTEM TO CONSUMER QUALITY ANALYZING

Изобретение относится к области навигации и топопривязки, в частности к способам спутниковой навигации и контроля качества навигационных полей космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS, формирования корректирующей информации и анализа ее качества.
Известен способ функционирования топопривязчика в режиме контрольно-корректирующей станции (см. патент RU №2498223, G01С 23/00, 10.11.2013 г.), принятый за прототип. Способ функционирования топопривязчика в режиме контрольно-корректирующей станции включает прием спутниковой навигационной информации, проведение коррекции навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, выполняемой в режиме контрольно-корректирующей станции (ККС), имеющей собственное программно-математическое обеспечение, выдачу выходных параметров навигации и корректирующей информации по сигналам навигационных космических аппаратов внешним потребителям по автономному каналу передачи данных. При аппаратной реализации, когда рабочая конфигурация ККС состоит из следующих основных аппаратных блоков: опорной станции (ОС) с устройством для передачи дифференциальных поправок, контрольной станции (КС), станции интегрального контроля (СИК) с устройством для приема дифференциальных поправок, на первом этапе выполняется контроль работоспособности ККС, на втором этапе выполняется прием аппаратурой ОС и СИК сигналов всех находящихся в зоне видимости КА КНС ГЛОНАСС и GPS, включающий запрос с ОС альманахов КНС ГЛОНАСС и GPS, запрос плановых координат и высоты точки размещения антенн ОС и СИК, расчета видимости КА КНС ГЛОНАСС и GPS на текущую дату, сравнения количества отслеживаемых приемниками ОС и СИК КА КНС ГЛОНАСС и GPS с расчетным числом КА, на третьем этапе выполняется измерение псевдодальностей и фазы несущей по всем принимаемым сигналам КНС ГЛОНАСС и GPS, временная привязка измерений к системной шкале КНС ГЛОНАСС (GPS), их регистрация с заданным темпом и выдача в реальном времени или по требованию оператора на устройстве отображения, формирование из принимаемых навигационных сообщений КА файлов, их регистрация и выдача для архивации, хранения и представления в текстовом виде, на четвертом этапе происходит получение и формирование корректирующей информации для навигационных сигналов КА ГЛОНАСС и GPS, непрерывный анализ качества рассчитанной и передаваемой корректирующей информации, выдача корректирующей информации в реальном масштабе времени в устройство для передачи дифференциальных поправок в канал передачи корректирующей информации, на пятом этапе происходит определение координат ККС в режиме накопления с постобработкой данных.
Недостатками прототипа являются:
- отсутствие возможности оценки влияния качества получаемых и передаваемых потребителю дифференциальных поправок на точность определения координат;
- отсутствие возможности оценки эффективности передачи полученных дифференциальных поправок по запросу от топопривязчика потребителю;
- отсутствие четкого алгоритма оценки работы базовой контрольно-корректирующей станции с различными потребителями корректирующей информации, входящими в единую автоматизированную систему управления войсками.
Предлагаемым изобретением решается задача по повышению точности и эффективности систем инерциально-спутниковой навигации и расширению возможностей оценки качества формирования и приема-передачи дифференциальных поправок.
Технический результат, получаемый при осуществлении изобретения, заключается в формировании способа анализа качества формирования и передачи дифференциальных поправок по запросу от топопривязчика потребителю, обеспечивающего оценку режима работы навигационной аппаратуры топопривязчика и связанных с ним потребителей ГЛОНАСС/GPS в заданном районе с прецизионной точностью местоопределения, формирования корректирующей информации, включающей дифференциальные поправки и контроль качества сформированных дифференциальных поправок, качества сбора и обработки измерительной, навигационной и другой информации для выполнения топопривязчиком задач по назначению, качества автоматизированной передачи данных по автономному каналу передачи данных.
Указанный технический результат достигается тем, что в предлагаемом способе анализа качества формирования и передачи дифференциальных поправок по запросу от топопривязчика потребителю, включающем прием спутниковой навигационной информации, проведение коррекции навигационной информации, поступающей от навигационных космических аппаратов, выполняемой в режиме контрольно-корректирующей станции, имеющей собственное программно-математическое обеспечение, выдачу выходных параметров навигации и корректирующей информации по сигналам навигационных космических аппаратов внешним потребителям по автономному каналу передачи данных, анализ качества корректирующей информации в режиме самотестирования контрольно-корректирующей станции, новым является то, что проведение анализа и оценки качества формирования топопривязчиком дифференциальных поправок для космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS и передачи их по запросу потребителю предполагает выполнение сравнения точности определения координат местоположения потребителя дифференциальных поправок с помощью аппаратуры спутниковой навигации при отсутствии дифференциальных поправок и с ними, для этого выполняются следующие операции и действия:
- для проведения оценки качества дифференциальных поправок используется подвижный объект, например машина управления артиллерийским подразделением, или подвижный технологический стенд, аппаратно и программно совместимый с ним, имеющий программно-аппаратные средства, выполненные с возможностью принимать по каналу связи - аппаратура передачи данных и радиостанция дифференциальные поправки и записывать их в навигационную аппаратуру потребителей космических навигационных систем подвижного объекта или подвижного технологического стенда;
- далее топопривязчик и подвижный объект или подвижный технологический стенд устанавливаются на контрольных точках с известными координатами X, Y и высотой Н при допустимом отклонении центра расположения антенн навигационной аппаратуры потребителей космических навигационных систем ±0,5 м;
- после включения аппаратуры топопривязчика и подвижного объекта или подвижного технологического стенда производится настройка средств связи и ввод в базовую контрольно-корректирующую станцию координат контрольной точки топопривязчика;
НАП
НАП
НАП
- далее фиксируются значения координат подвижного объекта или подвижного технологического стенда по показаниям навигационной аппаратуры потребителей космических навигационных систем аппаратуры спутниковой навигации - Х, Y, Н;
- вычисляется разница определенных координат подвижного объекта или подвижного технологического стенда и координат контрольной точки - ΔХ, ΔY, ΔН, на которой они установлены;
- в программном обеспечении подвижного объекта запускается отправка запроса топопривязчику на передачу дифференциальных поправок, определенных с помощью базовой контрольно-корректирующей станции;
ДИФ
ДИФ
ДИФ
- на навигационной аппаратуре потребителей космических навигационных систем подвижного объекта фиксируется момент изменения качества определения координат со значения от «1» до «3» на значение «0», фиксируются координаты подвижного объекта с учетом дифференциальных поправок - Х, Y, Н;
- вычисляется разница определенных координат и координат контрольной точки ΔХд, ΔYд, ΔНд с учетом дифференциальных поправок;
- для повышения точности навигационных определений работы выполняются на контрольных точках не менее 10-ти раз с использованием различных систем координат;
.
.
.
- на следующем этапе контролируется выполнение условий: Σ(ΔХд)/10<Σ(ΔХ)/10, Σ(ΔYд)/10<Σ(ΔY)/10, Σ(ΔНд)/10<Σ(ΔН)/10;
- на завершающем этапе на базе полученных данных проводится анализ результатов практической отработки с построением графических зависимостей, формулируются выводы и рекомендации по результатам обработки корректирующей информации.
Использование при проведении анализа и оценки качества дифференциальных поправок подвижного объекта, например машины управления артиллерийским подразделением, или подвижного технологического стенда, аппаратно и программно совместимого с ним, позволяет:
- протестировать функционирование программно-аппаратных средств, реализацию возможности принимать по каналу связи дифференциальные поправки и записывать их в спутниковую навигационную аппаратуру;
- провести анализ и оценку в условиях, приближенных к реальной обстановке использования программно-аппаратных средств.
Установка топопривязчика и подвижного объекта или подвижного технологического стенда на контрольных точках с известными координатами X, Y и высотой Н при допустимом отклонении центра расположения антенн навигационной аппаратуры потребителей космических навигационных систем ±0,5 м позволяет:
- получить истинные значения координат для сравнения с полученными аппаратурой спутниковой навигации без учета и с учетом дифференциальных поправок;
- подтвердить заявленные характеристики выбранных аппаратных средств.
Проведение настройки средств связи и ввод в базовую контрольно-корректирующую станцию координат контрольной точки топопривязчика позволяет подготовить аппаратуру топопривязчика к передаче дифференциальных поправок.
Фиксация значений координат подвижного объекта или подвижного технологического стенда по показаниям навигационной аппаратуры потребителей космических навигационных систем аппаратуры спутниковой навигации позволяет определить разницу определенных координат подвижного объекта или подвижного технологического стенда и координат контрольной точки - ΔХ, ΔY, ΔН.
Передача дифференциальных поправок, определенных с помощью базовой контрольно-корректирующей станции, на подвижный объект или подвижный технологический стенд позволяет:
- зафиксировать момент изменения качества определения координат в сторону улучшения;
- вычислить разницу определенных координат и координат контрольной точки ΔХд, ΔYд, ΔНд с учетом дифференциальных поправок.
Выполнение работ на контрольных точках не менее 10-ти раз с использованием различных систем координат позволяет:
- повысить точность определения погрешностей корректирующей информации;
- протестировать возможность определения и передачу корректирующей информации в различных системах координат.
.
.
.
Проведение контроля выполнения условий: Σ(ΔХд)/10<Σ(ΔХ)/10, Σ(ΔYд)/10<Σ(ΔY)/10, Σ(ΔНд)/10<Σ(ΔН)/10 позволяет:
- окончательно оценить качество корректирующей информации;
- подтвердить работоспособность линий связи, аппаратуры передачи данных и информационно-вычислительных устройств.
Проведение на завершающем этапе анализа результатов практической отработки позволяет:
- построить графические зависимости, повышающие наглядность результатов постобработки полученных данных;
- сформулировать выводы и рекомендации по результатам обработки корректирующей информации.
Технические решения с признаками, отличающими заявляемое решение от прототипа, не известны и явным образом из уровня техники не следуют. Это позволяет считать, что заявляемое решение является новым и обладает изобретательским уровнем.
Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 показана структурная схема канала обмена между базовой контрольно-корректирующей станцией топопривязчика и навигационной аппаратурой потребителей космических навигационных систем подвижного объекта или подвижного технологического стенда; на фиг. 2 - пример графического оформления оценки результатов испытаний.
В вооруженных силах настоящего времени происходит увеличение роли высокоточных систем вооружений, что обуславливает повышение требований к эксплуатационным и точностным характеристикам средств топогеодезического обеспечения войск. Наиболее перспективным направлением решения данной проблемы является включение в состав навигационной аппаратуры потребителей космических навигационных систем (НАП КНС). Повышение точности топогеодезических работ осуществляется за счет использования специальных режимов работы НАП КНС. Наиболее известным является дифференциальный режим (ДР), в котором один комплект НАП КНС в опорной точке, вектор координат которой известен заранее, а другой комплект используется потребителем в определяемой точке. Совокупность программно-аппаратных средств, размещаемых в опорной точке, является базовой контрольно-корректирующей станцией (БККС). Разница между приборными и эталонными координатами в опорной точке транслируется потребителю по радиоканалу в режиме реального времени. Вектор поправок в навигационные определения потребителя определяется и учитывается по формулам:
ЭКОТ
ОКОТ
ΔК=К-К;
КПОпрТ
ОКОпрТ
К=К+ΔК,
ЭКОТ
где К-вектор эталонных координат опорной точки;
ОКОТ
ОКОпрТ
К, К-векторы оценок координат опорной и определяемой точек по данным НАП КНС;
ΔК-вектор корректирующей информации;
КПОпрТ
К-уточненный вектор координат потребителя в определяемой точке.
Использование ДР позволяет исключить сильнокоррелированные для опорной и определяемой точек составляющие ошибки, как систематического, так и случайного характера.
Разновидностью ДР является метод относительных определений (ОО), в основу которого положено вычисление приращений координат между опорной и определяемой точками путем сопоставления данных одних и тех же навигационных космических аппаратов, синхронно наблюдаемых на БККС и потребителем:
П
ОКОпрТ
ОКОТ
ΔК=К-К,
П
где ΔК-вектор приращения координат потребителя относительно опорной точки.
При использовании метода ОО задается локальная система координат с началом в БККС, причем при наличии эталонных координат БККС возможно высокоточное определение абсолютных координат потребителя. Максимальную точность обеспечивают измерения на фазе несущей частоты, наиболее полно реализующие точностной потенциал НАП КНС.
Способ анализа качества формирования и передачи дифференциальных поправок по запросу от топопривязчика потребителю реализуется следующим образом.
При реальной оценке качества формирования топопривязчиком дифференциальных поправок для космических навигационных систем ГЛОНАСС и GPS и передачи их по запросу потребителю предполагается выполнение сравнения точности определения координат местоположения потребителя дифференциальных поправок с помощью аппаратуры спутниковой навигации при отсутствии дифференциальных поправок и с ними.
1. Для проведения оценки качества дифференциальных поправок необходимо наличие топопривязчика (ТП) 1, оборудованного БККС 2, бортовой ЭВМ (БЭВМ) 3, радиостанцией (PC) 4 и аппаратурой передачи данных (АПД) 5, подвижного объекта (ПО) 6, например машины управления артиллерийским подразделением, или подвижного технологического стенда (ПТС) 7, которые оснащены НАП КНС 8, ПЭВМ 9, PC 10 и АПД 11, испытательной трассы, представляющей собой ряд контрольных точек, оборудованных створными знаками для облегчения установки транспортного средства. Все средства ТП 1, ПО 6 и ПТС 7 аппаратно и программно совместимы, обеспечивают возможность принимать по каналу связи дифференциальные поправки и записывать их в НАП КНС 8. Важное значение для обеспечения устойчивой работы НАП КНС 8 имеют условия радиовидимости в месте размещения антенн НАП КНС 8. Выборка контрольных точек для установки ТП 1, ПО 6 и ПТС 7 составляется таким образом, чтобы максимально отобразить реальные условия эксплуатации топогеодезических систем и включает в себя как практически открытые, так и радиозатененные позиции, расположенные в плотных лесных массивах и населенных пунктах.
2. Далее ТП 1 и ПО 6 или ПТС 7 устанавливаются на контрольных точках с известными координатами X, Y и высотой Н при допустимом отклонении центра расположения антенн БККС 2 и НАП КНС 8 - ±0,5 м.
3. После включения аппаратуры ТП 1 и ПО 6 или ПТС 7 производится настройка средств связи и ввод в БККС 2 координат контрольной точки ТП 1, предварительно убедившись, что БККС 2 вышла в режим, отсутствуют ошибки и предупреждения о неисправностях.
НАП
НАП
НАП
4. Далее фиксируются значения координат ПО 6 или ПТС 7 по показаниям НАП КНС 8 - Х, У, Н.
5. Вычисляется разница определенных координат ПО 6 или ПТС 7 и координат контрольной точки - ΔХ, ΔY, и высоты - ΔН, на которой они установлены по формулам:
НАП
КТ
ΔХ=Х-Х;
НАП
КТ
ΔY=Y-Y;
НАП
КТ
ΔН=Н-Н,
КТ
КТ
КТ
где Х, Y, Н - координаты и высота контрольной точки.
6. В программном обеспечении ПО 6 или ПТС 7 запускается отправка запроса ТП 1 на передачу дифференциальных поправок, определенных с помощью БККС 2.
ДИФ
ДИФ
ДИФ
7. На НАП КНС 8 ПО 6 или ПТС 7 фиксируется момент изменения качества определения координат со значения от «1» до «3» на значение «0», фиксируются координаты ПО 6 или ПТС 7 с учетом дифференциальных поправок - Х, Y, Н.
8. Вычисляется разница определенных координат и координат контрольной точки ΔХд, ΔYд, ΔНд с учетом дифференциальных поправок по формулам:
Д
ДИФ
КТ
ΔХ=Х-Х;
Д
ДИФ
КТ
ΔY=Y-Y;
Д
ДИФ
КТ
ΔH=H-H.
9. Для повышения точности навигационных определений работы выполняются на контрольных точках не менее 10-ти раз с использованием различных систем координат - WGS-84 и СК42.
.
.
.
10. На следующем этапе контролируется выполнение условий: Σ(ΔХд)/10<Σ(ΔХ)/10, Σ(ΔYд)/10<Σ(ΔY)/10, Σ(ΔНд)/10<Σ(ΔН)/10, которые являются критерием повышения точности определения координат ПО 6 или ПТС 7.
11. На завершающем этапе на базе полученных данных проводится анализ результатов практической отработки с построением графических зависимостей, формулируются выводы и рекомендации по результатам обработки корректирующей информации.
Современное поколение НАП КНС общего применения имеет возможность выдачи первичных навигационных данных по измерениям фазы несущей частоты. Вместе с тем, конструкция такой аппаратуры не отвечает целому ряду требований, обязательных для специализированной геодезической НАП КНС. К ним относится выдача результатов измерений в целых фазовых циклах, повышенная стабильность опорного генератора, коррекция собственного ухода опорного генератора в процессе работы, обеспечение устойчивости фазового центра антенного блока, защита от многолучевости распространения сигналов навигационных космических аппаратов.
При остановках в НАП КНС 8 на контрольных точках на интервале 5-20 минут проводилось накопление первичной данных их путем протоколирования на носитель информации. По окончании марша полученные данные подвергались постобработке совместно с синхронными данными БККС 2. Всего было совершено 10 маршей, в результате которых получено 100 относительных определений. Средняя продолжительность сеанса накопления первичных данных на контрольной точке составила 5 минут.
Так как для измерения на фазе несущей частоты сигналов НАП КНС 8 характерное значение ошибки составляет менее 1 метра, то прямая оценка показателей точности невозможна и позволяет лишь контролировать наличие грубых промахов в результатах измерений. Результаты косвенной оценки (по стандартному отклонению средних приборных значений приращений координат в данной контрольной точке) представлены на фиг. 2. Из чего следует, что точность определения приращений плановых координат ниже точности определения соответствующих превышений. Это объясняется тем, что для рассматриваемых уровней точности существенное значение имеет изменчивость длины определяемой базовой линии, вызываемая наличием дисперсии положения ПО 6 или ПТС 7 при многократной установке на контрольной точке. Данная погрешность носит случайный характер и является методической, поэтому ее влияние может быть учтено. Установка ПО 6 или ПТС 7 проводится таким образом, чтобы антенный блок НАП КНС 8 находился на одной линии со створными знаками (на глаз). Параметром, характеризующим текущее положение ПО 6 или ПТС 7 на контрольной точке, является расстояние от борта транспортного средства до ближайшего створного знака. Оно определяется с помощью рулетки для последующего учета влияния его рассеяния на наблюдаемую дисперсию приборных данных на контрольной точке.
С учетом компенсации погрешности установки ПО 6 или ПТС 7 на контрольной точке окончательная оценка точности метода ОО с использованием измерений по фазе несущей частоты составляет:
- средняя квадратическая погрешность определения приращений плановых координат 0,8 м;
- средняя квадратическая погрешность определения превышений 0,6 м.
Таким образом, в предлагаемом изобретении решена задача по достижению технического результата, заключающегося в создании способа анализа качества формирования и передачи дифференциальных поправок по запросу от топопривязчика потребителю, обеспечивающего оценку режима работы навигационной аппаратуры топопривязчика и связанных с ним потребителей ГЛОНАСС/GPS в заданном районе с прецизионной точностью местоопределения, формирования корректирующей информации, включающей дифференциальные поправки и контроль качества сформированных дифференциальных поправок, качества сбора и обработки измерительной, навигационной и другой информации для выполнения топопривязчиком задач по назначению, качества автоматизированной передачи данных по автономному каналу передачи данных.