CC BY
64
УДК 629.7.351
К ВОПРОСУ РАЗМЕЩЕНИЯ СПУТНИКОВЫХ НАВИГАЦИОННЫХ ПРИЕМНИКОВ НА БОРТУ ВОЗДУШНОГО СУДНА
О.А. ГОРБАЧЁВ, Е.Е. НЕЧАЕВ, П.В. РЯБКОВ
В статье показана зависимость величины ошибки измерения значения координат спутниковыми навигационными приемниками от их взаимного расположения.
Ключевые слова: спутниковые навигационные приемники, навигация, спутниковые навигационные системы.
С целью обработки информации от трех спутниковых навигационных приемников методом двойного усреднения [1] был разработан программный комплекс. Анализируя полученные от программного комплекса данные, возможно определить месторасположение спутниковых навигационных приемников на борту воздушного судна (ВС), обеспечивающее наименьшую ошибку в определении координат ВС. Структурная схема программного комплекса показана на рис. 1.
Подпрограмма обработки NMEA-сообщений
Подпрограмма расчета по методу двойного усреднения
Подпрограмма генерации NMEA-сообирний
Рис. 1. Структурная схема программного комплекса
NMEA-сообщение - текстовое сообщение, передаваемое приемником спутникового сигнала и содержащее информацию, оформленную по протоколу NMEA 0183 («National Marine Electronics Association» - Международная Морская Ассоциация Электроники). В качестве передаваемой информации выступают данные о текущем местоположении приемника, скорости движения, а также технические данные спутникового приемника, такие как количество видимых в данный момент времени спутников, флаги работоспособности приемника и т. п. [2] Подпрограмма обработки NMEA-сообщений выполняет функции по получению сообщений от приемника, их распознавания и отправки необходимых данных подпрограмме расчета. Упрощенный алгоритм работы подпрограммы показан на рис. 2.
Рис. 2. Подпрограмма обработки NMEA-сообщений
Подпрограмма расчета по методу двойного усреднения - предназначена для расчета среднего значения параметров координат. Исходными данными являются значения широты и долготы в текущий момент времени от каждого используемого приемника. Данные значения выделяются из значений, полученных от подпрограммы обработки NMEA-сообщений. Результатом расчета являются средние величины значений широты и долготы, которые вычисляются по методу двойного усреднения.
Метод двойного усреднения заключается в моментальном преобразовании значений координат от трех навигационных приемников в одно значение координаты. Преобразование ведется по двум координатам и выполняется с учетом весовых коэффициентов. Данный метод позволяет исключить серьезные ошибки в определении местоположения воздушного судна [3].
Подпрограмма генерации NMEA-сообщений.
После выполнения расчета и получения усредненных значений величин координат требуется передать данные значения на устройство вывода. Устройство вывода преобразует данные в формате NMEA в значения координат для последующего отображения на экране.
Упрощенный алгоритм работы подпрограммы показан на рис. 3.
Рис. 3. Подпрограмма генерации NMEA-сообщений
Ядро программы осуществляет коммутацию основных подпрограмм между собой, а также их взаимодействие с микросхемой программируемой логики (ПЛИС), на базе которой выполняется устройство [4].
Таким образом, программный комплекс представляет собой набор подпрограмм и логику их связей. Раздробленность структуры способствует легкой и быстрой модернизации программного комплекса. Например, для изменения способа обработки данных от спутниковых приемников требуется изменение только одной из подпрограмм без изменения интерфейса взаимодействия между подпрограммами. Также упрощен переход на другую платформу микросхем программируемой логики, за счет внесения изменений лишь в ту часть программного комплекса, которая осуществляет взаимодействие с микросхемой ПЛИС.
Для отладки программного комплекса в части правильности выполняемых операций программный комплекс реализован на базе персонального компьютера.
Для облегчения последующего переноса программного комплекса на микросхему программируемой логики, рассмотренные выше подпрограммы выполнены в виде консольных приложений на языке С. Для написания программного кода и отладки использовалась среда разработки Eclipse 3.6 [5]. Данная среда разработки распространяется по лицензии EPL (Eclipse Public License), позволяющей использовать эту среду разработки бесплатно.
Для отладки программы на персональном компьютере было принято следующее:
1. Используется три навигационных GPS-приемника.
2. Данные от навигационных приемников представлены в виде текстовых файлов, содержащих NMEA-сообщения в виде строк.
3. Не учитываются временные задержки при поступлении входного сигнала от приемников, таким образом считается, что данные от всех приемников поступают одновременно.
4. Выходной информацией являются два текстовых файла — промежуточный файл (файл, содержащий «сырую» информацию с данными расчета) и текстовый файл формата NMEA, содержащий сгенерированную последовательность по протоколу NMEA.
Для получения исходных данных использовались три одночастотных приемника:
Gamin GPS 3 Pilot;
Garmin-GPS 5;
Garmin-GPS 5.
Эти приемники предназначены для использования на борту воздушного судна, имеют высокие точностные характеристики и надежность работы.
Обозначим приемники A, B и С соответственно.
Во время выполнения измерений приемники размещались так, как показано на рис. 4.
Рис. 4. Размещение приемников
При этом было выполнено три измерения:
Приемники удалены друг от друга на расстояние R=0,5L.
Приемники удалены друг от друга на расстояние R=5L.
Приемники удалены друг от друга на расстояние R=10L.
Здесь L - величина, равная 0,1902 м.
Измерения проводились на крыше девятиэтажного дома. Погодные условия нормальные. Во время всего сеанса измерения наблюдалось минимум 8 и максимум 10 спутников.
При каждом измерении выполнялась запись NMEA-последовательности от каждого приемника в текстовые файлы. Фрагмент одного из полученных текстовых файлов показан ниже. $GPRTE,1,1,c,*37
$GPRMC,173018,A,5133.6209,N,03906.9323,E,0.0,0.0,130710,8.2,E,A*17
$GPRMB,A„„„„„„A,A*0B
$GPGGA,173018,5Ш.6209,N,03906.9323,E,1,08Д.0,166.2,M,13.6,M„*4E
$GPGSA,A,3,02,05,10,12,„21„29,30,31„2.1,1.0,1.8*35
$GPGSV,3,1,11,02,32,056,45,05,33,104,48,10,28,062,42,12,33,147,45*7F
$GPGLL,5133.6209,N,03906.9323,E,173018,A,A*45
$GPBOD„T„M„*47 $PGRME,4.3,M,6.8,M,8.1,M*2E $PGRMZ,545,f,3*1F $PGRMM,WGS 84*06 $GPRTE,1,1,c,*37
$GPRMC,173020,A,5133.6209,N,03906.9323,E,0.0,0.0,130710,8.2,E,A*1C
$GPRMB,A„„„„„„A,A*0B
$GPGGA,173020,5133.6209,N,03906.9323,E,1,08,1.0,166.1,M,13.6,M„*46
$GPGSA,A,3,02,05,10,12,„21„29,30,31„2.1,1.0,1.8*35
$GPGSV,3,2,11,13,03,015,00,16,00,314,00,21,20,217,42,23,03,351,00*7A
$GPGLL,5133.6209,N,03906.9323,E,173020,A,A*4E
$GPBOD,,T,,M,,*47 $PGRME,4.3,M,6.8,M,8.1,M*2E $PGRMZ,545,f,3*1F $PGRMM,WGS 84*06 $GPRTE,1,1,c,*37
$GPRMC,173020,A,5133.6209,N,03906.9323,E,0.0,0.0,130710,8.2,E,A*1C
$GPRMB,A,,,,,,,,,,,,A,A*0B
$GPGGA,173020,5133.6209,N,03906.9323,E,1,08,1.0,166.1,M,13.6,M,,*46
$GPGSA,A,3,02,05,10,12,,,21,,29,30,31,,2.1,1.0,1.8*35
$GPGSV,3,2,11,13,03,015,00,16,00,314,00,21,20,217,42,23,03,351,00*7A
$GPGLL,5133.6209,N,03906.9323,E,173020,A,A*4E
$GPBOD,,T,,M,,*47
Выделены строки, которые согласно протоколу NMEA, содержат информацию о текущем местоположении. Очевидно, что не все строки будут использоваться в расчете среднего значения, а только строки форматов GPRMC, GPGGA, GPGLL.
За один эксперимент в программу загружаются данные трех файлов с NMEA-сообщениями. После обработки полученных NMEA-сообщений программа создает файл результата. Фрагмент файла результата показан ниже:
5133.622000;3906.932000;5133.621700;3906.932700;5133.620900;3906.932300;5133.621492;3906.932342 5133.622000;3906.932000;5133.621700;3906.932700;5133.620900;3906.932300;5133.621492;3906.932342 5133.622000;3906.932000;5133.621700;3906.932700;5133.620900;3906.932300;5133.621492;3906.932342 Схема вывода файла результата следующая: lat_1; lon_1; lat_2; lon_2; lat_3; lon_3; lat_result; lon_result;
Здесь:
lat_X — значение широты, полученное с приемника X (от англ. «Latitude» — широта); lon_X — значение долготы, полученное с приемника X (от англ. «Longitude» — долгота); lat_result — значение широты, полученное методом двойного усреднения; lon_result — значение долготы, полученное методом двойного усреднения.
Количество строк в файле результата соответствует числу «отработанных» координат. Принцип работы программы состоит в поочередном считывании файлов по строкам с целью поиска строк, из которых возможно получение значений широты и долготы.
После получения трех файлов результата (для различных величин расстояний R между приемниками A, B, C) выполняем их обработку.
Размещаем полученные данные в таблицу для последующей обработки и изучения. Для обработки будем использовать программу OpenOffice Calc, не требующую лицензии.
Первым этапом обработки полученных расчетом результатов является определение отношения значения полученного приемником и среднего значения, полученного в результате расчета.
(і)
Iacrest
= ^ (2) іа ггея
где: i — момент времени (номер строки в файле результата).
Выполним оценку величины ошибки для каждого приемника следующим образом:
(3)
Графики величины ошибки приемника при различных расстояниях между приемниками показаны на рис. 5.. .7 (по оси Х отложен порядковый номер измерения, по оси У — величина ошибки, соотношение (3)).
Рис. 5. Расстояние между приемниками 0,5L
0,0000003
Приемник А Приемник В ПриемникС
[
Рис. 6. Расстояние между приемниками 5L
0,0000004 0,00000035 0,0000003 0,00000025 0,0000002 0,00000015 0,0000001 0,00000005
24 66 108 150 192 234 276 318 360 402 444 486 528 570 612 654 696 738 780 822 864 906 948 990 1032 1074
3 45 87 129 171 213 255 297 339 381 423 465 507 549 591 633 675 717 759 801 843 885 927 969 1011 10531095
24 66 108 150 192 234 276 318 360 402 444 486 528 570 612 654 696 738 780 822 864 906 948 990 10321074 3 45 67 129 171 213 255 297 339 381 423 465 507 549 591 633 675 717 759 801 843 885 927 969 101110531095
Рис. 7. Расстояние между приемниками 10L
Определим зависимость величины среднеквадратической ошибки от расстояния между приемниками.
Рассчитаем величину ошибки для каждого приемника для 1100 измерений по формуле:
Результаты вычислений по формуле (4).
Расстояние между приемниками 0,5Ь.
Величина среднеквадратической ошибки:
- для приемника А: 0,0000172321390218859;
- для приемника В: 0,00000555488914322323;
- для приемника С: 0,0000173193255633348.
Расстояние между приемниками 5Ь.
Величина среднеквадратической ошибки:
- для приемника А: 0,0000224696869807617;
- для приемника В: 0,0000131162668531782;
- для приемника С: 0,0000210266611146891.
Расстояние между приемниками 10Ь.
Величина среднеквадратической ошибки:
- для приемника А: 0,0000260200508513023;
- для приемника В: 0,0000198303763556261;
- для приемника С: 0,0000315293126893959.
График зависимости величины среднеквадратической ошибки от расстояния между приемниками показан на рис. 8.
Рис. 8. Зависимость величины среднеквадратической ошибки от расстояния между приемниками
Анализ полученных результатов (рис. 8) позволяет сделать вывод о том, что для уменьшения величины среднеквадратической ошибки по методу двойного усреднения необходимо размещать спутниковые приемники в непосредственной близости друг от друга.
ЛИТЕРАТУРА
1. Нечаев Е.Е. К вопросу нелинейной обработки навигационных параметров комплексированных спутниковых навигационных систем // Научный Вестник МГТУ ГА, серия Радиофизика и радиотехника. - 2010. - №152 (2).
2. The NMEA 0183 Protocol - National Marine Electronics Association.
3. Нечаев Е.Е. Нелинейная фильтрация навигационных параметров спутниковых навигационных систем // Труды IX Международной научно-технической конференции «Авиа-2009». - Киев: Национальный авиационный университет. - Т. 1.
4. Грушвицкий И.Р Проектирование систем на микросхемах программируемой логики. - СПб: БХВ-Петер бург, 2002.
5. Eclipse Helios (3.6) Documentation (http: //help .eclipse. org/helios/index. jsp).
ABOUT PLACEMENTS SATTELITE NAVIGATION RECIEVERS ON THE AIRCRAFT BOARD
Gorbachev O.A., Nechaev E.E., Ryabkov P.V.
The article shows the magnitude of the error of the measurement values of the coordinate of satellite navigation receivers from their mutual arrangement.
Key words: satellite navigation receivers, navigation, satellite navigation systems.
Сведения об авторах
Горбачёв Олег Анатольевич, 1959 г.р., окончил ИГУ (1982), доктор технических наук, директор Иркутского филиала МГТУ ГА, автор 30 научных работ, область научных интересов - радиофизика, радионавигация.
Нечаев Евгений Евгеньевич, 1986 г.р., окончил МАИ (2008), аспирант кафедры управления воздушным движением МГТУ ГА, автор 4 научных работ, область научных интересов - цифровая обработка сигналов, управление воздушным движением, радионавигация.
Рябков Павел Владимирович, 1974 г.р., окончил Иркутское ВВАИУ (1996), преподаватель кафедры ВАИУ, автор 10 научных работ, область научных интересов - радионавигация.
