L2_3Mag

Л2(18)_Л3. Использование фазовых измерений в задаче ориентации современных ИСОН. GPS-компас «ИСОН-1» для морских судов

Содержание

2.1.Современное состояние в морской практике. Особенности фазовых измерений

2.2.GPS – компас «ИСОН-1» с автономным режимом работы для морских судов

2.2.1.Структура построения и особенности алгоритмического обеспечения

2.2.2.Описание конструкции и программного обеспечения системы

2.2.3.Результаты автомобильных и мореходных испытаний

2.1.Современное состояние в морской практике. Особенности фазовых измерений

Внастоящее время на морских судах различного назначения используются как классические маятниковые гирокомпасы (ГК) типа Standard-14 (ф. Anschutz), ГК с косвенным управлением типа ГКУ-5 (ф. ПНППК), так и гирогоризонткомпасы (ГГК) на ВОГ типа SR 2100 (ф. Litton), OCTANS (ф. IXblue) или «Зенит-СК» и «Бекар». (ЦНИИ «Электроприбор»).

Известно, что к недостаткам маятниковых ГК относится значительный уровень их погрешностей при эксплуатации на маневренных судах, а также в северных широтах, где как правило используются ГК с косвенным управлением. К недостаткам ГК типа ГКУ-5 и ГГК на ВОГ типа «Зенит-СК» следует отнести как их высокую стоимость, так и ограниченную надежность из-за наличия электромеханических элементов в конструкции (следящих систем, приводов, скользящих токоподводов, подшипников и т.п.). А для SR 2100, OCTANS – это конечно прежде всего стоимость. Вот почему до сих пор на большинстве судов применяются гирокомпасы.

Новое направление в морском приборостроении связано с разработкой так называемых GPS-компасов как интегрированных инерциально-спутниковых систем – интегрированных систем ориентации и навигации (ИСОН). Приведем краткий обзор их современного состояния. Библиографию по спутниковым системам ориентации для наземных, авиационных и космических объектов можно найти, например, в работе [21].

Seapath 400 (300)

ИСОН для морских судов (рис. 4.2.1) норвежской фирмы Seatex AS является высокоточной и надежной системой, вырабатывающей данные о курсе, углах и угловых скоростях качки и рыскания, линейной скорости и координатах местоположения судна [27]. Система Seapath 400 включает ПА СНС DGPS с четырьмя разнесенными антеннами, обеспечивающую дифференциальный режим работы и фазовые интерферометрические измерения, а также бескарданный инерциальный измерительный блок (ИБ) Seatex MRU-5(6) на дешевых малогабаритных кварцевых гироскопах вибрационного типа.

ИБ Seatex MRU был разработан фирмой в начале 90-х годов, включает в полной комплектации три гироскопа, три линейных акселерометра, три феррозонда и обеспечивающую электронику.

Рис. 4.2.1. Приборный состав ИСОН Seapath

Точностные и технические данные ИБ Seatex MRU-5(6).

Диапазон измерений:

по угловой скорости в диапазоне частот качки и рыскания

Точностные и технические характеристики системы ИСОН Seapath 400:

Погрешности выработки:

Данная интегрированная система получила достаточно широкое распространение в морской практике (рис. 4.2.2).

Рис. 4.2.2. ИСОН для морских судов Seapath 400

Navistar

GPS-компас Navistar ф. Northrop Grumman Sperry Marine – недорогая альтернатива гирокомпасу для катеров, рыболовецких судов, больших яхт, военных патрульных судов, небольших торговых судов водоизмещением 300 и 500 регистровых тонн [31]. Т.е. для судов, для которых наличие гирокомпаса не является обязательным.

Рис. 4.2.3. Приборный состав ИСОН Navistar

GPS-компас Navistar состоит из трех блоков (рис. 4.2.3): антенного модуля, блока с инерциальными датчиками и процессором, а также дисплея с клавиатурой (терминала). По сигналам, полученным со спутников GPS, и данным с трех встроенных датчиков угловой скорости, двух акселерометров и магнитного датчика вычисляет в стандартном формате основные навигационные данные: истинный курс, скорость поворота, крен, дифферент, скорость, курс и местоположение.

Выходные данные могут быть использованы фактически любым навигационным оборудованием: аналоговыми и цифровыми репитерами, радарами, авторулевым и т.д.

Navistar имеет встроенный контроль курса и автоматическую сигнализацию неисправностей (отказов). Не имеет подвижных частей и не нуждается в регулярном

техническом обслуживании. Он отличается очень низкой потребляемой мощностью и использует напряжение питания 9 – 36 В постоянного тока.

Основные точностные и технические данные приведены в табл. 4.2.1

Табл.4.2.1

Точность

SPAN-SE-D-RT2-G-J-Z

GPS –компас ф. NovAtel с СНС-приемником семейства SPAN-SE (рис. 4.2.4) и инерциальным измерительным модулем (ИИМ) IMU-LCI (рис. 4.2.5). Для него характерно

[29]:

возможность определения курса и дифферента с использованием сигналов, принятых на 2 разнесенные антенны. Обработка сигналов от двух антенн выполняется различными платами-приемниками;

обработка сигналов GPS (L1/L2), ГЛОНАСС (L1/L2), широкозонных дифференциальных подсистем - SBAS, платного диффсервиса OmniSTAR;

обработка поправок для кодового и фазового диффрежимов в форматах RTCM SC104 версий 2.x/3.0, CMR, CMR+;

сильносвязанное комплексирование данных СНС и ИИМ;

предусмотрена процедура автоматической калибровки отстояний фазовых центров СНС-антенн от центра навигации ИИМ;

возможность вывода сырых измерений СНС и ИИМ для последующей камеральной обработки.

Рис. 4.2.4. Лицевая и задняя панели приемника семейства SPAN-SE с разветвителями комплексных разъемов и антенной GPS-702 GGL.

Основные точностные и технические характеристики приемника SPAN-SE

Погрешности (СКО) в реальном времени СНС-приемника SPAN-SE без комплексирования с ИИМ:

по координатам:

-в автономном режиме (по двухчастотным измерениям) - 1,2м; -с использованием SBAS - 0,6м;

-в кодовом диффрежиме - 0,4м;

-с использованием диффсервиса OmniSTAR в зависимости от типа услуг (HP, XP, VBS) - (0,1-0,6)м,

-в фазовом диффрежиме (RTK) - 1см+10-6D, где D - расстояние до базового приемника;

по скорости - 0,03м/с;

по курсу и дифференту - 0,2град/L, где L - длина антенной базы в метрах. Скорость выработки измерений - 50Гц, решений - 20Гц.

Форматы данных: NMEA 0183, специальные предложения NovAtel в бинарном и текстовом представлении.

Коммуникационные порты:

4 программно конфигурируемых RS232/422 порта со скоростью до 921600 бит/с (прием данных на ПК без специального аппаратного обеспечения возможен на скорости до 115200 бит/с);

USB 2.0 порт со скоростью 5 Мбит/с;

2 CAN порта со скоростью до 1бит/с;

Com-порт для подключения к основной СНС-плате (используется для подключения радиомодема при реализации диффрежима);

Com-порт для подключения к вспомогательной СНС-плате (может использоваться для вывода сырых измерений по второй антенне);

порт для подключения к ИИМ, предусматривающий, в том числе, выдачу метки времени - PPS;

3 порта для выходных меток времени PPS;

4 порта для входных меток времени Event marker;

Ethernet-порт;

слот для SD-карты памяти.

Скоростное ограничение – 1850км/ч.

Габариты 200 248 76 мм. Вес 3,4кг.

Среднее время наработки на отказ 269000ч.

Характеристики антенн GPS-702 GGL, GPS-702 GG

Принимаемые сигналы: GPS (L1/L2), ГЛОНАСС (L1/L2), OmniSTAR – для GPS702 GGL.

Габариты: диаметр 185мм, высота 65мм. Вес - 0,5кг.

Инерциальный модуль IMU-LCI (ф. Northrop-Grumman Litef GmbH).

Основные точностные и технические характеристики

Частота выработки данных – 200Гц.

Наличие ПО для камеральной обработки исходных данных. Наличие на корпусе ИИМ меток, определяющих центр навигации.

Габариты 168 195 146 мм. Вес 4,25кг.

Среднее время наработки на отказ 45 000ч.

Характеристики чувствительных элементов (ЧЭ) Тип гироскопов – волоконно-оптические.

Рабочий диапазон угловой скорости 800град/с.

Смещение нуля от пуска к пуску и стабильность в пуске дрейфа гироскопов - 1град/ч.

Погрешность масштабных коэффициентов гироскопов – 5*10-4. Шум гироскопов - 0,05 град/ч.

Тип акселерометров – микромеханические. Рабочий диапазон ускорений 40g. Смещение нуля акселерометров - 10-3g.

Погрешность масштабных коэффициентов акселерометров - 2,5·10-4. Погрешности (СКО) IMU-LCI при интеграции с приемником SPAN-SE:

по горизонтальным координатам в фазовом диффрежиме (RTK):

-при наличии СНС-сигналов - 0,02 /0,01м;

-при 1-минутном отсутствии СНС-сигналов – 1,7 /0,11м;

по горизонтальной скорости (зависимость от режима работы приемника незначительна)

-при наличии СНС-сигналов - 0,02 /0,010м/с;

-при 1-минутном отсутствии СНС-сигналов - 0,06 /0,015м/с.

по курсу (зависимость от режима работы приемника незначительна)

-при наличии СНС-сигналов - 0,02 /0,008град;

-при 1-минутном отсутствии СНС-сигналов - 0,025 /0,010град.

по качкам (зависимость от режима работы приемника незначительна)

-при наличии СНС-сигналов - 0,07 /0,005град;

-при 1-минутном отсутствии ГНСС-сигналов - 0,009 /0,006град.

Предусматривается вывод скорректированных с использованием оценок систематических ошибок ЧЭ составляющих угловой скорости вокруг связанных с объектом осей и составляющих ускорения в географических осях.

NovAtel поставляет инерциальный модуль LCI в универсальном кожухе, показанном на рис. 4.2.5. В таком виде модуль называется UIMU-LCI. Его массогабаритные характеристики и были представлены выше. На универсальном кожухе сверху и сбоку нанесены метки, которые определяют центр навигации модуля LCI. Справа на рисунке изображен универсальный кабель, разветвляющийся на силовую (с тремя выводами) и информационную (с разъемом DB9) составляющие.

Рис. 4.2.5. Внешний вид универсального кожуха NovAtel для SPAN-совместимых ИИМ и единый кабель питания и обмена данными между ИИМ и приемником SPAN-SE.

Известные в настоящее время малогабаритные БИИМ и GPS-компасы морского применения

Табл.4.2.2а

Табл.4.2.2б

Следует заметить, что некоторые более дешевые системы, не содержащие инерциальных модулей, такие как JLR-30, SC-110, МРК-11, Фарватер РК-2306, Бриз КМРНК, не способны работать при длительных сбоях в данных ПА СНС, а также не вырабатывают всего перечня требуемых параметров.

Инерциальные системы PHINS, SIGMA40 в своем составе не содержат ПА СНС, а указанная точность в выработке параметров ориентации обеспечивается за счет использования высокоточных ЧЭ, в связи с этим они имеют чрезвычайно высокую стоимость (около 4 млн. руб. и выше).

Такие ИСОН как Seapath 300(200) с инерциальным модулем низкой точности получили достаточно широкое распространение. Однако для них характерна практически непрерывное использование мультиантенной ПА СНС для выработки курса судна, что может привести к снижению уровня безопасности плавания в стесненных водах (узкостях, прибрежной зоне, в гаванях с интенсивным движением). Так как в этих районах возможны частые «сбои» ПА СНС из-за помех.

Интерферометрический принцип решения задачи ориентации в СНС

Непосредственно фазовые измерения [59,60,61] эквивалентны измерению псевдодальностей с неопределенной составляющей, равной целому числу длин волн несущей частоты. Поэтому основная проблема фазовых измерений – их неоднозначность в целое число циклов, которая имеет место, например, при восстановлении сигнала в случае его временной потери из-за помех естественного или искусственного происхождения. Изза этого прямое использование фазовых измерений целесообразно только для сглаживания менее точных, но однозначных псевдодальномерных измерений по коду. Измеряемым радионавигационным параметром при использовании фазовых методов является разность фаз принимаемого спутникового сигнала на несущей частоте

is (t) Nis (t) is (t) ,

где is (t) – полная фаза в циклах 2 сигнала s спутника, принимаемого в i -м приемнике

в момент времени t ; Nis (t) – полное число циклов фазы от момента излучения; is (t) –

дробная часть (в долях цикла) фазы, и опорного сигнала

iоп (t) Niоп (t) iоп (t) ,

сформированного в ПА СНС. То есть

M нsi (t) Nis (t) Niоп (t) – неоднозначность фазовых измерений.

В дифференциальном режиме для определения относительных координат и взаимного расхождения шкал времени используют разности измерений псевдодальностей до одного и того же НСi для одинаковых моментов времени в разнесенных точках

приема. Поэтому для дифференциального режима первые разности измерений

погрешности измерения псевдодальностей, обусловленные в основном нестабильностью опорных генераторов двух ПА СНС, размещенных в точках приема; i,l – длина волны

сигнала, излучаемого i -м НСi по l -му частотному каналу; mi,l – смещение в целое число длин волн (неоднозначность) в фазовых измерениях; nогфл (k,i,l) , nффл (k,i, l) –

флуктуационные (шумовые) составляющие измерений псевдодальностей по огибающей и фазе сигнала.

При формировании первых разностей фазовых измерений компенсируются погрешности, вызванные неточностью эфемеридного обеспечения, задержками распространения сигнала в ионосфере и тропосфере, смещениями шкал времени НСi

относительно системного времени СНС.

Неоднозначность фазовых измерений отражена в (4.2.1) составляющей i,l mi, j .

Для исключения систематических погрешностей в измерениях (4.2.1), обусловленных нестабильностью опорных генераторов двух ПА СНС, на практике в большинстве случаев используют вторые разности фазовых измерений, уравнения для которых имеют вид, аналогичный (4.2.1). При этом если первые разности это разности одновременных измерений двумя приемниками сигнала одного и того же спутника, то вторые разности первых, полученных по измерениям для разных НСi . Однако использование вторых

разностей не устраняет неоднозначности фазовых измерений. Одним из путей решения данной проблемы является применение третьих разностей – приращения вторых разностей псевдодальностей за некоторое время. Известны результаты по использованию в ПА СНС, работающей по сигналам ГЛОНАСС, третьих разностей. Недостатком этого подхода является длительное время наблюдения ( 20 мин) для получения оценки вектора базы с сантиметровой точностью.

Классификация методов разрешения неоднозначности фазовых измерений может быть выполнена по используемой для этих целей информации. В ГЛОНАСС и GPS для этого служат: оценки координат, априорные и полученные с помощью навигационных систем иного типа; измерения по огибающей кода радиосигнала; избыточность измерений псевдодальностей по фазе несущей и огибающей кода сигнала.

Наиболее эффективные процедуры разрешения неоднозначности основаны на избыточности фазовых измерений [21], когда число измерений фазы больше числа неизвестных параметров. Это приводит к расширению окрестности вокруг искомого решения, в которой отсутствуют другие возможные решения. В этом и состоит эффект избыточности фазовых измерений, для обеспечения которой необходимо наблюдение значительного (пять и более) числа НСi и (или) использование второго частотного

канала.

Известный интерферометрический принцип решения задачи ориентации с использованием мультиантенной ПА СНС показан на рис. 4.2.6. Предполагается, что