CC BY
132
УДК 621.396.2
Д.В. Стубарев, А.С. Толстиков СГГА, Новосибирск
АНАЛИЗ АЛГОРИТМОВ ПРЕДВАРИТЕЛЬНОЙ ОБРАБОТКИ ДАННЫХ ТРАЕКТОРНЫХ ИЗМЕРЕНИЙ МЕТОДАМИ ИМИТАЦИОННОГО МОДЕЛИРОВАНИЯ
Рассматриваются алгоритмы предварительной обработки данных траекторных измерений по навигационным спутникам ГЛОНАСС применяемых для исключения аномальных значений, гладкого восполнения пропущенных данных, расчета и компенсации скачков фазовой неоднозначности.
D.V. Stubarev, A.S. Tolstikov
Siberian State Academy of Geodesy (SSGA)
10 Plakhotnogo Ul., Novosibirsk, 630108, Russian Federation
THE ANALYSIS OF ALGORITMS OF PRELIMINARY DATA PROCESSING TRAJECTORY MEASUREMENTS BY METHODS OF IMITATING MODELLING
Overcoming specified above difficulties forces to spend preliminary processing of the initial given measurements of length with the purpose of exception of abnormal values, smooth completion of the passed data, calculation and indemnification of jumps of phase ambiguity.
Рассматриваются траекторные измерения по навигационным спутникам ГЛОНАСС, выполняемые с сети беззапросных станций радиотехническими методами. Такие измерения проводятся при определении координат и времени в интересах потребителя навигационной информации и при решении задач, обеспечивающих функционирование спутниковой навигационной системы.
Практика решения перечисленных задач показывает, что от 10 до 30 процентов результатов траекторных измерений оказываются искаженными и нуждаются в коррекции [1]. В работе предлагаются алгоритмы предварительной обработки результатов траекторных измерений, обеспечивающие фильтрацию шумов и исключение аномальных значений, гладкое восполнение пропущенных данных, идентификацию скачков фазы несущей и в фазовых измерениях и компенсацию этих скачков. Исследование предложенных алгоритмов проводится методами имитационного моделирования.
Исходными данными для решения задач координатно-временных определений являются геометрические дальности р(ис, ип) от навигационных спутников (НС) до измерительной станции.
Здесь uTc = [ xc, yc, zc ] и uT n = [ xn, yn, zn ] - вектор текущих координат НС ( xc, ус, zc ) и вектор координат потребителя ( хи, уп, zn ), определенные в единой геоцентрической системе координат.
Измерение указанных наклонных дальностей р(ис, ип ) радиотехническими методами сводится к определению длительности интервала времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от НС до приемной антенны потребителя. Этот измеренный временной интервал D(t ), выраженный в единицах длины и именуемый в дальнейшем псевдодальностью, связан с геометрической дальностью уравнением измерений:
9
D(t) = P(uc >u«) + Z Р(t) + v(t), (2)
i=\
9
где P(t) = ^ p (t) - группа факторов, влияющих на точность измерений;
i=i
v(t) - возмущения стохастической природы.
Большую часть факторов p , влияющих на точность траекторных
измерений, можно скомпенсировать на основе применения известных математических моделей для этих факторов НС [2]. Однако остаются факторы, не поддающиеся компенсации.
- Это выбросы в данных псевдодальномерных измерений, образующиеся в следствии многопутности прохождения радиосигнала. После удаления пачки выбросов образуются разрывы (см. рис. 1), требующие гладкого восполнения.
- Также в результате потери синхронизации приемной аппаратуры при фазовых измерениях образуются скачки фазы несущей Требуется эти скачки идентифицировать и вводить соответствующие компенсирующие поправки в результаты фазовых измерений.
Перечисленные обстоятельства приводят к необходимости проведения
предварительной обработки результатов траекторных измерений с целью:
- Фильтрации шумов, исключения выбросов из состава данных и замены их значениями, удовлетворяющих условиям гладкости траектории, для кодовых измерений;
- Идентификации и компенсации скачков фазовой неоднозначности в фазовых измерениях.
Для обработки измерений вводится в рассмотрение опорная траектория близкая к действительной траектории спутника, и анализируется относительное движение НС. Эта опорная траектория рассчитывается на основе бортовых эфемерид и последующей интерполяции с помощью полиномов Чебышева [2].
Для фильтрации шумов измерений и исключения небольших пачек выбросов авторами разработаны и применяются рекуррентные процедуры калмановского типа, адаптирующиеся к измерительной информации. При обнаружении выбросов, не попадающих в заданный доверительный интервал, фильтр переводится из режима фильтрации в режим прогнозирования.
Рис. 1. Изменение псевдодальности D(t) абсолютное (а) и относительное вдоль
опорной траектории (б)
В случае прихода пачки выбросов большой длительности применяется алгоритм медианной фильтрации в виде процедуры «Тьюки 53Х» [4].
Рис. 2. Использование фильтра Калмана в условиях действия пачки выбросов
При использовании фильтра Калмана в массиве оценок возникает динамическая погрешность, проявляющаяся в виде фазового сдвига (см. рис. 3).
Для исключения этой погрешности, авторами применена обработка выборк в прямом (рис. 3, Б) и обратном (рис. 3, В) направлениях.
Рис. 3. Оценки измерений (А) с помощью ФК в прямом направлении (Б), ФК в обратном направлении (В) и среднее между прямым и обратным ФК (Г)
Для проведения сравнительного анализа оценивания параметров НС по загрязненной выборке был выбран метод имитационного моделирования на основе программного имитатора ModBis24 [5]. Моделирование проводилось с
использованием следующих данных: - интервал радиовидимости НС - 5ч; СКО шума измерений - 20 м; - амплитуда выбросов - 180 м; - моменты появления выбросов: ki=100, k2=200, k3=550.
Программный имитатор измерительной информации сети беззапросной измерительной станции представляет собой эффективный инструмент для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС, позволяющий проводить сравнительный анализ алгоритмов оценивания орбит, определять рациональный состав измерений и осуществлять подбор согласующих моделей для расчета компенсирующих поправок к факторам р., влияющим на точность траекторных измерений. С помощью ModBis24 проведен анализ алгоритмов предварительной обработки данных траекторных измерений, получены рекомендации по выбору конструктивных параметров алгоритмов для получения результатов траекторных измерений с приемлемой точностью.
Произведенный сравнительный анализ подходов и алгоритмов выявления и исключения выбросов (использование адаптивного линейного фильтра Калмана, медианного фильтра и процедуры «Тьюки 53Х») показал целесообразность предварительной медианной фильтрации исходных данных перед применением линейного фильтра.
Полученные результаты модельных исследований и результаты обработки реальных сигналов хорошо согласуются с теоретическими положениями, положенными в основу синтеза робастных алгоритмов обработки измерительной информации в спутниковых навигационных технологиях.
БИБЛИОГРАФИЧЕСКИЙ СПИСОК
1. Антонович, К.М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии [Текст] /К.М. Антанович// Том 1. М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. - 334 с.
2. Жданюк, Б.Ф. Основы статистической обработки траекторных измерений [Текст] / Б.Ф. Жданюк // М.: Сов. радио, 1978.- 384с., ил.
3. Ершов, А.А. Стабильные методы оценки параметров [Текст] /А.А. Ершов //Автоматика и телемеханика, 1978, №8, с. 66-100.
4. Микешина, Н.Г. Выявление и исключение аномальных значений [Текст] /Н.Г Микешина //Заводская лаборатория, 1966, №3, с. 310-318.
5. Владимиров, В.М. Имитатор измерительной информации для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС [Текст] /В.М. Владимиров, А.К. Гречкосеев, А.С. Толстиков // Измерительная техника. - 2004.- 8. - С.12-14.
© Д.В. Стубарев, А.С. Толстиков, 2011
