Гл9. Интегрированные спутниково-инерциальные навигационные системы

1.Координаты (х, у)наземного ПО счисляются по формулам

Определение инерциальной навигации

– метод определения координат и параметров движения ПО и управления их движением, основанный на свойствах инерции тел и являющийся автономным.

метод определения координат, скорости и угловой ориентации объекта на основе измерения и интегрирования его ускорения.

4.Определение ускорения объекта в инерциальных системах навигации (ИНС) осуществляется

4.Определение угловых скоростей в инерциальных системах навигации (ИНС) осуществляется

4.Определение наклона объекта в инерциальных системах навигации (ИНС) осуществляется

4.Определение координат в инерциальных системах навигации (ИНС) осуществляется

1)датчиков линейного ускорения (акселерометр).

2) гироскопические устройства (гироскоп)

3)вычислитель

5.Устройство, которое сохраняет неизменной ориентацию своей оси в пространстве, обеспечивает строго горизонтальное положение осей, называется

1) гиростабилизированной платформой (свойство гироскопа)

6.Инерциальные навигационные системы

6.Безинерциальные навигационные системы

1) акселерометрами и гироскопами устанавливаются в определённом положении (есть режим начальной настройки)

2) гироскопы и акселерометры жёстко связаны с корпусом объекта и ориентированы по осям СК

Гл10. Повышение точности

Основные характеристики систем радионавигации и требования к ним Погрешность, повышение точности

6. Назовите законы распределения погрешностей (плотность вероятности) в оценке координат НТС?

Ответ:- двумерный гауссовский (норм.) закон распределения погрешностей оценки координат НТС

- бинормального закона распределения, поскольку распределения погрешностей МО ПО на поверхности Земли с помощью сигналов различных РНС хорошо согласуются с этим законом

7. Суть решения задач локализации, редукции, разрешения дорожных гребенок, решеток и перекресток.

Ответ. Из решения следует, что р(l) ≤ р_опт(l), т.е на основе математической модели распределения вероятностей погрешности местоопределения координат р_опт(λ₀) и l определяется соответствующее значение σ_опт, на основании которого могут быть сформулированы требования по точности радионавигационного обеспечения ИРЭС НСУ на одиночной трассе, гренке или решетки движения.

8. В чем сутьзадачилокализации. Где и чем ее решают. На какой вопрос ее решение должно дать ответ.

Ответ. Суть: если НТС находится вне городской дорожной сети, топология которой включена в структуру ЭТКС, то необходимо локализовать (уточнить с учетом априорных сведений) координаты НТС.

Автоматическое разрешение этого вопроса осуществляет система ПКО ПУ - отображения истинного местоположения НТС на ЭТКС.

Диспетчера перевозок (командира) интересует ответ на вопрос: "Внутри какого контура на ЭТКС местности находится с заданной вероятностью текущее местоположение НТС ?"

9. В чем сутьзадачиредукции. Где и чем ее решают? На какой вопрос ее решение должно дать ответ.

Ответ. Суть: если НТС находится на дорожной трассе вне города или в городской дорожной сети, но расстояние между параллельными и перпендикулярными маршрутами дорог значительное, причем топология которой включена в структуру ЭТКС, то необходимо редуцировать (уточнить с учетом априорных сведений) координаты НТС на дорожное полотно.

Диспетчера перевозок интересует ответ на вопрос "На каком участке топологии ЭТКС (маршруте движения), наиболее близком к радионавигационной отметке (х_н,у_н), с заданной вероятностью находится НТС ?"

10. В чем суть задачидорожной гребенки. Где и чем ее решают? На какой вопрос ее решение дать ответ.

Ответ. Суть: если НТС находится на дорожной трассе с параллельными длинными улицами, отстоящих друг от друга на расстоянии d_r ≡ d║ ≈ σ_r (дорожная гребенка), с направлением одной из которых совпадает трасса движения НТС, то необходимо редуцировать НТС на истинную трассу движения, используя априорные сведения топологии района города (дорожной гребенки).

Диспетчера перевозок интересует ответ на вопрос "На каком маршруте топологии ЭТКС (маршруте движения), наиболее близком к радионавигационной отметке (х_н,у_н), с заданной вероятностью находится НТС ?"

11. В чем суть задачидорожной решетки. Где и чем ее решают? На какой вопрос ее решение дать ответ.

Суть: если НТС отметка (х_н, у_н) попадает в типологически сложную область ЭТКС, определяемую из условий σ_r≈ d║ ≈ d┴, то данную область ЭТКС будем называть "дорожной решеткой".

Если маршрут движения НТС проходит через топологически сложный участок ЭТКС, представляющий собой решетку трасс движения с размером ячейки d_р =d║= d┴ , то необходимо редуцировать НТС на истинную трассу движения, используя априорные сведения топологии района города (дорожной решетки).

Диспетчера перевозок (командира) интересует ответ на вопрос "На каком маршруте топологии ЭТКС (маршруте движения), наиболее близком к радионавигационной отметке (х_н,у_н), с заданной вероятностью находится НТС ?"

12. Для каких условий применима задача локализации?

Ответ. Вне города на любой местности – степь, лес, горы, пересеченная местность и т.п..

13. Для каких условий применима задача редукции?

Ответ. Вне города или в черте города при движении НТС по дорожной сети – междугородние перевозки, движение в новостройках города и. т.п.

14. Для каких условий применима задача дорожной гребенки?

Ответ. В черте города с параллельными маршруту движения улицами или вне города с параллельными дорогами, расстояние между которыми соизмеримы с точностью РНС.

15. Для каких условий применима задача дорожной решетки?

Ответ. В черте города с параллельными и перпендикулярными улицами (дорогами) расстояние между которыми соизмеримы с точностью РНС.

16. Что является параметром топологии в задаче локализации. Из каких соображений он выбирается.

Ответ. Параметром является предельное расстояние контура (d_пр = у_н), определяемое заказчиком.

17. Что является параметром топологии в задаче редукции. Из каких соображений он выбирается.

Ответ. Параметрами топологии является участок дороги L:

Если σ_r<<d║ и σ_r <<d┴, т.е. существенно превышают значение σ_r,

18. Что является параметром топологии в задаче разрешения дорожной гребенки дорог. Из каких соображений он выбирается.

Ответ. Параметрами топологии является: расстояния dr = d║ - между соседними, параллельными маршрутудвижения НТС на ЭТКС

Если d_r ≡ d║ ≈ σ_r, с направлением одной из которых совпадает трасса движения НТС, т.е. соизмеримо с заданной погрешностью σ_r,

19. Что является параметром топологии в задаче разрешения решетки дорог. Из каких соображений он выбирается.

Ответ. Параметрами топологии является: расстояния dr = d║ - между соседними, параллельными маршрутудвижения и dr = d┴ - перпендикулярными маршруту движения НТС топологическими участками ЭТКС

Если dr = d║ ≈d┴ σ_r, и соизмеримо с заданной погрешностью σ_r,

26. Запишите аналитическое выражение для координат радионавигационного местоположения НТС через радионавигационные параметры τ₁ , τ₂ в местной плоской декартовой системе координат (формулы сфероидической геометрии в линейном приближении)

Ответ: , ;

где х, у – координаты НТС в местной плоской декартовой системе координат

τ₁ , τ₂ - временные задержки радионавигационных сигналов.

27. Записать аналитическое выражение для измерений псевдодальностей не менее, чем для четырех выбранных НКА с учетом ЧВП

Ответ: , (k = 1,2,3,4)

где - дальность от объекта до НКА; с - скорость света;

- погрешность ЧВП; ( t) — погрешность измерений в ПИ;

( t) - сдвиг ШВ НАП (опорного сигнала) относительно ШВ системы.

28. Записать аналитическое выражение для измерений псевдодальностей на 2-ух частотах не менее, чем для 4-ех выбранных НКА для двух диапазонного приемника

Ответ: (k = 1,2,3,4)

где A/ f - ионосферная погрешность измерения ПД,

S ( t) - измеренная ПД без ионосферных погрешностей. 1600 МГц и =1250 МГц.

28. Запишите аналитическое выражение для наиболее полной характеристики распределения погрешностей радиоопределения координат (х,у) НТС.

Ответ: двумерная плотность вероятности р_н(х,у):

где = х₀, = у₀- средние значения погрешностей,

, - дисперсии погрешностей по осям координат,

ρ - коэффициент корреляции координатных составляющих х и у.

29. Запишите матричную форму полной двумерной плотности вероятности р_н(х,у) распределения погрешностей радиопределения координат.

Ответ:

где - определитель (детерминант) матрицы ,

- усредненная объединенная погрешность,

т - знак транспонирования.

30. Запишите выражение для задач локализации - оптимальной вероятности р_опт нахождения НТС в контуре с параметром (х₀, у₀) = (х_н, у_н ) ± d_пр в контуре размером d_пр вне трассы.

Ответ: или ,

где

31. Запишите выражение для задач редукции - оптимальной вероятности р_опт нахождения НТС на участке трассы (у_н + δ - L) ≤ у₀ ≤ (у_н +δ + L) длиной 2L

Ответ: или ,

где

32. Запишите оптимальное правило р_опт разрешения трасс дорожной гребенки, т.е. нахождения НТС на конкретной трассе движения путем редукция НТС на ближайшую из них относительно точки:

(х₀ , у₀) = (х_н, у_н) ± d_r, где d_r = d_||. ).

Ответ: или

где

33. Запишите оптимальное правило р_опт разрешения трасс дорожной решетки НТС к улице ближайшей к точке с координатами z_н=(х_н,у_н) в условиях малой априорной информативности, т.е. критерий максимума апостериорной плотности вероятности

или

где .

4. Запишите аналитическое выражение для наиболее полной характеристики распределения погрешностей радиоопределения координат (х,у) подвижного объекта (ПО).

Определить требования к РНС для вероятности правильного местоопределения ПО р = 0,9 в локальном квадрате размером 10х10м. Решение пояснить на графике.

4. Запишите выражение для задач редукции - оптимальной вероятности р_опт нахождения подвижного объекта на участке трассы (у_н + δ - L) ≤ у₀ ≤ (у_н +δ + L) длиной 2L

Определить требования к РНС для вероятности правильного местоопределения ПО р = 0,8 на участке трассы длиной 20м. Решение пояснить на графике.

Точность

1. Перечислите основные источники погрешностей измерения псевдодальности в многоканальных ПИ.

1. Дать определение линии (поверхности) положения?

1. Пояснить физический смысл геометрического фактора.

3. Точность местоопределения (напишите формулу и назначение параметров)

1. Дайте определение линии (поверхности) положения

Напишите аналитическую зависимость между временной (s_t) и дальномерной (s_r) погрешностями РНС.

1. Перечислите основные источники погрешностей измерения ПД в многоканальной ПИ:

Ответ: - шумы и помехи на входе ПИ;

- многолучевость распространения радиоволн,

- искажения в ЭМВ тропосфера (в однодиапазонном ПИ),

- искажения ЭМВ в ионосфера (в однодиапазонном ПИ).

1. Определить погрешность измерения в ПИ радионавигационного параметра - задержки времени сигнала, если отношение С/Ш на входе ПИ, равно 30 дБ, а эффективная ширина спектра радиосигнала - 1МГц.

2. Определить погрешность измерения псевдодальности в ПИ, вызванной тепловыми шумами приемника, если отношение С/Ш на входе ПИ, равно 20 дБ, тактовая частота дальномерного кода 0,5 МГц, а время усреднения измерения 1 сек.

. Если: - F₁ - тактовая частота ПСП1, равна 1 МГц; - P_с/ - энергетический потенциал на входе приемника, равен 10⁵; - к – коэффициент ухудшение энергетического потенциала в ПИ, к » 1,5; - Т₀ - интервал осреднения (накопления) измерений 10 сек.

Ответ

1. Определить погрешность измерения в ПИ радионавигационного параметра – доплеровского смещения частоты радиосигнала, если отношение С/Ш на входе ПИ, равно 40 дБ, а эффективная длительность сигнала а – 20 мс.

2. Определить погрешность измерения псевдодальности в ПИ, вызванной многолучевостью приема, если отношение Р_с1/Р_с2 на входе ПИ, равно 20 дБ, а тактовая частота дальномерного кода 1 МГц.

Если: Р /Р = - 30 дБ, - F₁ - тактовая частота ПСП1, равна 1 МГц;

Ответ

. Определить суммарную погрешность измерения псевдодальности в ПИ, если погрешность измерения метки времени составила 1 нс, частотно-временной поправки - 10 нс, а погрешность измерения приемником по шумам - 3 м.

2. Как изменится погрешность измерения псевдодальности в ПИ, вызванной тепловыми шумами приемника, если отношение С/Ш на входе ПИ, увеличилось с 20 дБ до 30 дБ.

1. Погрешность измерения псевдодальности в верхнем и нижнем диапазоне ПИ составляла 10м, как она изменится, если ПИ перевести в двух частотный режим. Какие погрешности в этом случае влияют.

2. Как изменится погрешность измерения псевдодальности в ПИ, вызванной многолучевостью приема, если отношение Р_с1/Р_с2 на входе ПИ, увеличилось с 20 дБ до 40 дБ.

1. Определить суммарную частотно-временную погрешность измерения в ПИ радионавигационного параметра, если отношение С/Ш на входе ПИ, равно 30 дБ, эффективная ширина спектра радиосигнала - 1МГц, а эффективная длительность сигнала а – 10 мс.

Задача 6. Определить уровень радионавигационного сигнала на входе ПИ (энергопотенциал) от НКА среднеорбитальной СРНС ГЛОНАСС в дБ, если км, МГц ( =18,75 см), W_св=182 дБ, Р_пер= 40 Вт (16 дБ), G_НКА=10 дБ, G_ПИ= 4 дБ, Р_рч = -200 дБ Вт/Гц

Ответ: Э = Р_пер + G_НКА+ G_ПИ - W_св– (-Р_рч) = 16 + 10 + 4 – 182 - (-200) = 48 дБ Вт/Гц

Тема №_____

11.Определить уровень радионавигационного сигнала на входеприемоизмерителя (ПИ) от навигационного КА среднеорбитальной СРНС ГЛОНАСС в дБ ( км, МГц), если G_НКА=10 дБ, Р_ПД= 100 Вт, G_ПИ= 100 дБ, W_тр=180 дБ.

1.-100 дБ; 2. -130 дБ 3.110 дБ; 4. 130 дБ

12. Определить уровень помехи на входе навигационного приемоизмерителя (ПИ) в дБ от комплекса радиоподавления (РП), находящего на борту самолета ( км, МГц),) если мощность передатчика помех Р_ПП=100 Вт, G_AП=10 дБ, G_ПИ=4 дБ, затухание радиосигнала на трассе РП W_т_р=130 дБ.

1.-96 дБ; 2. -104 дБ 3.-110 дБ; 4. 114 дБ; 5. 94 дБ.

13. Определить уровень сигнала радионавигационного поля у поверхности Земли от навигационного КА среднеорбитальной СРНС GPS в дБ (H_орб=20000км, f=1575МГц) , если Р_пд= 100 Вт, G_НКА= 10 дБ, G_ПИ= 4 дБ, затухание радиосигнала на трассе приема W_т_р=184 дБ.

1.-154 дБ; 2. -150 дБ 3.-166 дБ; 4. -204дБ. 5. 94 дБ

Задача 3. Увеличиться или уменьшиться время анализа сигнала и во сколько раз если Е/ q_ш измениться с 40 до 20 дБ.

Увеличиться или уменьшиться время анализа сигнала и во сколько раз если Е/ q_ш измениться с 30 до 40 дБ.

Увеличиться или уменьшиться время анализа сигнала и во сколько раз если Е/ q_ш измениться с 30 до 20 дБ.

Оценить погрешность измерения псевдодальности (ПД) в многоканальном ПИ при использовании навигационных сигналов, вызванной шумами, если: F₁ - тактовая частота ПСП1, равна 1 МГц; P_с/ - энергетический потенциал на входе приемника, равен 10⁵; к – коэффициент ухудшение энергетического потенциала в ПИ, к » 1,5; Т₀ - интервал осреднения (накопления) измерений 10 сек.

3. Задача. Оценить погрешность измерения псевдодальности (ПД) в многоканальном ПИ при использовании навигационных сигналов, вызванной многолучевостью, если Р /Р = - 30 дБ, F₁ - тактовая частота ПСП1, равна 1 МГц;

Суть методов

A- GPS

2.Технология OTD-О A (для UMTS)

ОТ D ( Observet Time Didderence) базируется на разностно-дальномерном методе, однако измерение интервалов времени прохождения сигналов от нескольких БС производится МС, т. е. по линии «вниз» (в отличие от ТОА), что требует гораздо меньших затрат на модификацию инфраструктуры сети.

Сеть вычисляет МП , получив сообщение от МТ с точностью 50…125 м в зависимости от ландшафта, после чего пакет данных с координатами местонахождения абонента посылается на МТ.

Достоинства:

по сравнению с UL-ТОА технология OTD требует меньшего кол. блоков ОМП в сети: 1 LMU на 4БС

отсутствие жёсткой временной синхронизации сети (синхронизируются только МТ и БС), поскольку в данном случае известны расстояния между БС и время прохождения сигнала от БС до МТ.

Недостатки

Технология OTD требует модификации программного обеспечения или использования новых моделей МТ

3.E-OTD- усоверш-й метод измерения разности задержек сигнала-времени приема сигналов (для систем GSM) (англ. Enhanced Observed Time Difference - метод разности времени) - похож на ТОА, только измеряется временная разница сигналов ближайших доступных LMU (БС), которая пересчитывается в расстояние от МС до двух конкретных БС.

(Dt = t_i – t_j)

В технологии E-OTD по сравнению ОТ D пользователь контролирует процесс ОМП своих координат и при желании может отключить эту функцию.

MТи БС синхронизированы (псевдосинхронизация – путём передач специальных пакетов)

Точность выше чем ТОА - до нескольких десятков метров в зависимости от числа LMU-узлов вокруг

разность времени приёма пакетов (OTD) равна в OTD = t_пр2 – t_пр1 = Dt_пр_ij (измеряет МС)

сдвиг относительно реального времени определяется в сети (БС) RTD = t_пд4 – t_пд3 = Dt_пд_ij.

геометрическая разница времени приёма сигналов от двух БС GTD = (d₂ – d₁)/с = Dt_ij,

d_ji = (Dt_пр_ij – Dt_пд_ij.)с

отношение между величинами OTD = RTD + GTD Dt_пр_ij = Dt_пд_ij + Dt _ij.

4.Cell ID - метод идентификации соты БС

Точность ОМП в большом городе до 150 м, в городе областного значения до 1 км, а в сельской местности и по трассам до 15…30 км.

Если БС имеет секторные антенны (3…6 лепестков по 120°…60), то МП абонента сужается до сектора соты сети.

Cell ID-ТА - основан параметра ТА – величины задержки распространения сигнала от БС к МС, которое известно БС. Для определения ТА БС инициирует пейджинг МС (пакета из 64 импульсов). Задержка на один импульс соответствует расстоянию 547 м. Отсюда и предел размера соты стандарта GSM: 547 × 64 = 35 км.

Дальность до МТ вычисляется путём подсчёта кол.а принятых импульсов в пакетах D_[м]= 547 × n.

Результатом вычисления метода является идентификатор БС и значение величины задержки ТА.

+Метод Cell ID-ТА прост, заложен в самом стандарте GSM и не требует модификации оборудования, за исключением программного обеспечения,и обладает лучшей точностью (по сравнению с Cell ID).

TOA (англ. Time of Arrival) –метод задержки время. Базируется на измерении времени прохождения сигнала (фрейма) от БС до МС (измерения в БС, т.е. по линии «вверх» в отличии от OTD)

D = ct_з

Дальномерный метод позиционирования

Так как разница в получении сигналов от источников излучения составляет микросекунды, то остро встаёт вопрос синхронизации всех LMU (например, используя сигналы GPS).

Инициировать процесс ОМП может как сам пользователь, так и оператор. Такой метод неизбежно увеличивает нагрузку на служебные каналы сети в момент запроса координат.

TDОA (Time Difference of Arrival) – модифицированный метод ТОА- использует разностно-дальномерный принцип позиционирования

Базируется на измерении временной задержки в сдвиге фрейма при прохождении сигнала от БС до МС (измерения задержек осуществляется в БС, т.е. по линии «ввех» в отличии от OTD)

Она не требует жёсткой синхронизации сети,т.к. определяет разницу между двумя значениями времени приёмаDt_ij-сигналов (ТОА) по запросу МС

UL-ТОА (Uplink ТОА) – модифицированный метод ТОА - метод фиксации времени прибытия сигналов со связью сверху – использует синхронизацию внутренних часов сети от СРНС d £ 10^–14. – точность улучшается.

D₁ = с × t, D₂ = с(t + t₁), D₃ = с(t+t₂),

точностью 50…150 м в зависимости от ландшафта

Достоинства UL-TOA (в СDМА):

базовое оборудование используется на 100 %;

имеется возможность роуминга; осуществляется автоматическое обслуживание 100 % абонентов; точность может регулироваться независимо для каждого абонента.

Недостатком являются большие начальные инвестиции.

Точность зависит:

- от ширины спектра измерительного сигнала Df_рс;

- точности синхронизации элементов системы;

- среды распространения радиоволн (флуктуаций коэффициента передачи среды, скорости РРВ в зависимости от изменения температуры, влажности и давления воздуха, многолучёвости т. п.).

АОА (англ. Angle of Arrival) - угломерный метод (метод направления прихода сигналов - автоматически определяться по различию фаз сигналов на антенных элементах).

Измеряемыми параметрами являются углы направления прихода излучения передатчика МТ a₁ и a₁ относительно линии (базы), соединяющей две базовые станции сети.

Дальность до МС определяется на основе алгоритмов триангуляции

, .

Погрешность ОМП МС относительно его истинного МП s [км] при известном расстоянии D_Б[км] между БС, принявшими его сигнал, и измеренных углах a₁ и a₂ [град] с ошибкой их измерения sa [град], равна

Технология АОА определения позиции МТ обеспечивает удовлетворительную точность при небольшой базе системы. Так, минимальная погрешность достигается при (a₁ + a₂) = 90° и рассчитывается по формуле .

Минимальной погрешности, например, при s_а ≈ 10º и D_Б = 1 км, составляет s = 170 м.

4. Метод RF «отпечаток» ( RF fingerprinting) - метод сопоставления образов (сигнатур) мест расположения МС (англ. LRM-Location Pattern Matching), использующий технологию анализа параметров радиосигнала и характеристик его многолучевого распространения.

1)A-GPS

2)OTD-ОA (для UMTS)

3)E-OTD (для систем GSM)

4)Cell ID, Cell ID-ТА

TOA; TDОA; UL-ТОА;

АОА (англ. Angle of Arrival)

Метод RF «отпечаток

1) 2) 3) 4)