УСТРОЙСТВО ОПРЕДЕЛЕНИЯ КООРДИНАТ НА ОСНОВЕ СПУТНИКОВЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ СИСТЕМ GPS/GLONASS
DEVICE FOR DETERMINING COORDINATES BASED ON SATELLITE RADIONAVIGATION SYSTEMS GPS/GLONASS

Изобретение относится к области радионавигации и может использоваться для координатной привязки объектов с сантиметровой точностью, для определения угловой ориентации объектов, а также для синхронизации измерительных комплексов. Работа изобретения основана на использовании сигналов спутниковых радионавигационных систем (СРНС) GPS и ГЛОНАСС.
Известно устройство определения координат, описанное в патенте США 2005/0162312 [1]. Данное устройство принимает сигналы спутниковых систем GPS/GLONASS, обрабатывает их и производит сохранение в память. Конечная обработка данных с получением высокоточных координат производится на внешней вычислительной машине. Устройство состоит из GPS-приемника, коммуникационного интерфейса (Bluetooth, USB, RS232), микроконтроллера, флэш-памяти, кнопки включения/выключения и двух светодиодных индикаторов.
К недостаткам описанного в данном патенте устройства относится невысокая точность, а также невозможность обозначать (дифференцировать друг от друга) в памяти устройства географические точки, координаты которых требуется определить. Первое обусловлено принципом проведения и обработки измерений: предлагается при обработке использовать только кодовые измерения и устранять в них ионосферную задержку, а также ошибку эфемерид на основе внешних источников информации. Обработка фазовых измерений с устранением фазовой неоднозначности, которая позволяет достичь более высокого порядка точности, в описании на устройство не присутствует. Второй недостаток обусловлен ограниченным пользовательским интерфейсом.
Патент США 6484095 [2] описывает устройство определения координат, которое состоит из GPS-приемника, коммуникационного интерфейса (rs232), флэш-памяти, микроконтроллера, пользовательского интерфейса на основе светодиодов.
К недостаткам данного устройства относятся невысокая точность определения координат, обусловленная тем, что не используются фазовые измерения с устранением фазовой неоднозначности.
Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому решению является устройство-прототип, описанное в патенте США 7439908 [3].
Устройство состоит из следующих компонентов:
- GPS/GLONASS приемник, антенна;
- пользовательский интерфейс (клавиатура, дисплей, звук);
- коммуникационный интерфейс (обмен данными);
- флэш-память,
- микроконтроллер.
В структурной схеме микроконтроллер разбит на функциональные блоки:
- вычисление вектора координат по кодовым измерениям;
- вычисление приращения вектора координат по фазовым измерениям;
- фильтрация (сглаживание) на основе метода наименьших квадратов с использованием данных, полученных из первых двух блоков;
- вычисление уточненного вектора координат по результатам фильтрации;
- работа с интерфейсами.
Определение координат с помощью данного устройства может производиться в двух режимах:
- на основе одиночного устройства, с использованием сглаживания кодовых измерений на основе фазовых;
- на основе двух устройств, с использованием дифференциальной обработки.
В первом режиме достижимая точность находится на уровне метра, во втором варианте точность зависит от степени разрешения неоднозначности. Если неоднозначности устранены частично на основе дробных чисел (получено плавающее решение), тогда возможна дециметровая погрешность определения координат. Если неоднозначности устранены полностью на основе целых чисел (получено фиксированное решение), тогда возможна сантиметровая погрешность определения координат. Реализация на практике того или другого варианта (частичное или полное устранение неоднозначности) зависит от целого ряда факторов, в частности от геометрии расположения спутников в момент наблюдения и от времени наблюдения.
Недостатком прототипа является невысокая точность определения координат в общем случае. Это обусловлено тем, что устройством не производится анализ возможности получения фиксированного решения, и в целом ряде случаев не удастся достичь принципиально возможного сантиметрового уровня точности.
Задача предлагаемого изобретения - повышение точности определения координат, достигаемое на основе оптимального выбора интервала проведения измерений на текущей географической точке, и исключение возможного срыва решения.
Главной проблемой при создании устройств определения координат с высокой точностью на основе GPS/GLONASS является наличие целочисленной неоднозначности в фазовом измерении дальностей до спутников. Для успешного устранения неоднозначности необходимо наличие надежных измерений сигналов GPS/GLONASS в нужном количестве. Эта необходимость обусловлена тем, что при срыве измерений (потере сигналов от спутников) происходит срыв решения. Таким образом, недостаточное время непрерывных бесперебойных измерений может стать причиной невозможности устранения неоднозначности, в результате чего станет невозможным определение координат с высокой точностью.
Предлагается устройство определения координат на основе спутниковых радионавигационных систем GPS/GLONASS, включающее в себя GPS/GLONASS приемник, антенну, микроконтроллер, корректирующий блок, пользовательский интерфейс (клавиатура, дисплей, звук), коммуникационный интерфейс, энергонезависимую память, интерфейсы временной засечки внешних событий и выдачи секундной метки. Данные от GPS/GLONASS приемника подаются на вход микроконтроллера, где производится их обработка несколькими алгоритмическими блоками: по кодовым измерениям производится определение вектора координат, по фазовым - определение приращения вектора координат. В результате фильтрации полученного вектора и его приращения на основе метода наименьших квадратов производится вычисление уточненного вектора координат.
В отличие от прототипа результаты фильтрации используются также для анализа устойчивости фазового решения в соответствующем блоке. Устойчивость фазового решения оценивается на протяжении всего интервала измерений, при этом количество устойчивых решений подсчитывается с помощью счетчика. В случае выявления срыва измерений через интерфейсы выдается специальная сигнализация. При этом каждую эпоху измерений производится оценка геометрического созвездия спутников, а также оценивается длительность измерений в текущей геометрической точке. Полученные оценки, а также значение счетчика, используются блоком принятия решения о продлении измерений. При необходимости продления измерений на текущей точке производится соответствующая сигнализация пользователю через интерфейсы.
Структурная схема устройства представлена на чертеже:
1. GPS/GLONASS антенна
2. GPS/GLONASS приемник
3. Вычисление вектора координат по кодовым измерениям
4. Вычисление приращения вектора координат по фазовым измерениям
5. Фильтрация на основе метода наименьших квадратов
6. Вычисление уточненного вектора координат по результатам фильтрации
7. Работа с интерфейсами
8. Коммуникационный интерфейс (обмен данными)
9. Энергонезависимая память (SD FLASH)
10. Пользовательский интерфейс
11. Микроконтроллер
12. Блок анализа устойчивости фазового решения
13. Блок оценки длительности измерений и геометрического фактора созвездия спутников
14. Счетчик для подсчета устойчивых решений
15. Блок принятия решений о продлении измерений
16. Интерфейс временной засечки внешних событий
17. Интерфейс выдачи секундной метки
18. Корректирующий блок
19. Клавиатура
20. Дисплей
21. Звук
Данное устройство позволяет определять оптимальное (для текущей ситуации) время наблюдения спутников в конкретной географической точке. С этом целью в состав микроконтроллера введены:
- блок анализа устойчивости фазового решения (12),
- блок оценки длительности измерений и геометрического фактора созвездия спутников (13),
- корректирующий блок (18), состоящий из
- счетчика устойчивых решений (14);
- блока принятия решений о продлении измерений (15).
Блок анализа устойчивости фазового решения (12) предназначен для выявления срыва фазовых измерений, в результате которого происходит переопределение фазовой неоднозначности. Работа данного блока основана на оценке двойных фазовых разностей от двух смежных эпох измерений. При наличии срыва хотя бы по одному спутнику в двойных разностях будет присутствовать аномальный скачок значений по отношению к предыдущему шагу. В случае выявления срыва блок (12) передает соответствующий сигнал на счетчик (14), в результате чего счетчик сбрасывается. При отсутствии срывов счетчик с каждой эпохой измерений инкрементируется.
Блок оценки длительности измерений и геометрического фактора созвездия спутников (13) предназначен для формирования оценки необходимого количества измерений, требуемого для успешного устранения неоднозначности, с учетом геометрической оценки текущего созвездия спутников. При плохой геометрической оценке созвездия длительность умножается на повышающий коэффициент. Счетчик (14) предназначен для подсчета устойчивых фазовых решений на данной геометрической точке расположения приемника. Значение, формируемое счетчиком, передается на блок принятия решений (15). Сброс счетчика производится по сигналу от блока (12) либо через интерфейс, в результате действий пользователя при переходе на новую определяемую геометрическую точку.
Блок принятия решения о продлении измерений (15) предназначен для анализа имеющихся данных с оценкой возможности устранения фазовой неоднозначности. Данный блок при необходимости принимает решение о продлении измерений на точке, в случае выявления срыва измерений, о чем сигнализирует пользователю через интерфейс. Сигнализация может производиться в следующих вариантах:
- через пользовательский интерфейс (дисплей, звук);
- через интерфейс данных (при обмене с PC).
Блоки (14) и (15) могут быть реализованы в следующих вариантах:
- на базе пользовательского приложения, работающего на борту GPS приемника;
- на основе аппаратной реализации или FPGA;
- на базе дополнительного микроконтроллера.
Блоки (12) и (13) могут быть реализованы как аппаратно, так и программно.
Связи между компонентами устройства осуществляются следующим образом:
- выход антенны подключен к входу приемника;
- выход данных от приемника подключен к входам блока вычисления вектора координат по кодовым измерениям и блока вычисления приращения вектора координат по фазовым измерениям, а также к входу блока оценки длительности измерений и геометрического фактора созвездия спутников;
- выходы блока вычисления вектора координат по кодовым измерениям и блока вычисления приращения вектора координат по фазовым измерениям подсоединены на вход блока фильтрации на основе метода наименьших квадратов;
- выход блока фильтрации на основе метода наименьших квадратов подключен к входу блока вычисления уточненного вектора координат по результатам фильтрации, а также к входу блока анализа устойчивости фазового решения;
- выход блока вычисления уточненного вектора координат по результатам фильтрации подключен к входу блока работы с интерфейсами;
- выход блока работы с интерфейсами подключен к коммуникационному интерфейсу, пользовательскому интерфейсу, флэш-памяти, к входу блока счетчика для подсчета устойчивых решений, а также к интерфейсу временной засечки внешних событий, интерфейсу выдачи секундной метки;
- выход блока анализа устойчивости фазового решения подключен к входам блока работы с интерфейсами и счетчика для подсчета устойчивых решений;
- выходы блоков оценки длительности измерений и геометрического фактора созвездия спутников и счетчика для подсчета устойчивых решений подключены к входу блока принятия решений о продлении измерений;
- выход блока принятия решений о продлении измерений подключен к входу блока работы с интерфейсами.
Для определения координат используются два устройства, реализованных по предложенной схеме. Одно из устройств размещается на точке, принимаемой за начало локальной системы координат. Второе устройство последовательно перемещается по точкам, координаты которых необходимо определить. Начало и конец измерений на каждой привязываемой точке сопровождается выбором пользователем соответствующих пунктов меню устройства через пользовательский интерфейс. После проведения измерений данные со съемных карт памяти либо через интерфейс обмена данных с обоих устройств переносятся на вычислительную машину и обрабатываются на основе специального программного обеспечения. В основе работы программного обеспечения лежит дифференциальная обработках фазовых измерений с полным разрешением фазовой неоднозначности. В результате обработки вычисляются координаты с сантиметровой точностью в локальной системе координат с началом отсчета в месте расположения антенны первого устройства.
Также для повышения точности определения координат динамических объектов в схему изобретения введены:
- интерфейс временной засечки внешних событий (16);
- интерфейс выдачи секундной метки (17).
Возможны два подрежима работы в рамках временной синхронизации:
- Выдача секундной метки в заданном диапазоне времени с заданием начала и конца интервала синхронизации или на постоянной основе, с возможностью прерывания пользователем. Условия выдачи секундной метки могут задаваться как пользователем через меню устройства, так и от внешних вычислительных машин по цифровому каналу связи. Таким образом, возможно централизованное управление выдачей секундной метки на нескольких устройствах, объединенных в цифровую сеть.
- Временная засечка внешних событий. Засечка может производиться в фоновом режиме, т.е. параллельно с выдачей секундной метки. Время внешнего события может сохраняться на карту памяти либо выдаваться пользователю через интерфейсы.
Использование временной синхронизации позволяет с высокой точностью привязывать динамические перемещения объекта к шкале координат.
Для определения углов ориентации необходимо наличие двух (или трех) устройств, подключенных к вычислительной машине через коммуникационный интерфейс (цифровой канал связи). Антенны устройств размещаются на неподвижной базе объекта, угловую ориентацию которого необходимо определить. Вектор, соединяющий фазовые центры антенн однозначно задает ориентацию объекта, при этом две антенны позволяют определять угол азимута и угол места объекта, а третья антенна дает возможность определять угол крена. Обработка, вычисление и выдача углов ориентации производится на вычислительной машине на основе специального программного обеспечения.
Пример конкретной реализации. Рассмотрим работу двух устройств в режиме определения координат. Устройства вместе с антеннами были расположены на крыше двухэтажного здания, с открытым доступом к небесному своду, в точках с заранее известными координатами. В локальной системе координат East-North-Up вектор между антеннами устройств составил: [52.707; -15.042; -0.019]. Данные координаты были получены геодезическими средствами измерений с погрешностью 1 мм. В течение 15 минут устройства принимали сигналы спутниковых систем GPS/GLONASS, при этом наблюдая одновременно 8-10 спутников. После этого оба устройства были выключены, а данные с обеих карт памяти были перенесены на вычислительную машину. Данные были обработаны на основе специального программного обеспечения и в результате получен вектор координат: [52.716; -15.034; -0.009]. Расхождение известных и полученных координат составило: [-0.009; -0.008; -0.01].
Применение данного изобретения дает возможность с высокой точностью определять координаты произвольных объектов, например, при геодезической привязке, при испытаниях различных измерительных средств, при обследовании сооружений, позволяет производить определение угловой ориентации объектов, например, для установки направленных спутниковых антенн, позволяет синхронизировать различные измерительные комплексы в системе единого времени.
Источники информации
1. Патент США 2005/0162312, G01S 5/14.
2. Патент США 6484095, G01C 21/00.
3. Патент США 7439908, Н04В 7/185 (прототип).