CC BY
56
УДК 621.396.932.1:629.783
ИЗМЕНЕНИЕ ВОЗВЫШЕНИЯ АНТЕННЫ СУДОВОГО ПРИЕМНИКА СРНС НАВСТАР GPS Ю.А. Комаровский, МГУ им. адм. Г.И. Невельского, Владивосток
Изучены свойства возвышения антенны GPS-приемника над геоидом WGS 84. Обнаружено, что возвышение антенны обладает более высокой чувствительностью к аномальным явлениям в работе системы Навстар GPS. Предложен критерий для оперативной и автономной оценки надежности работы приемника СРНС Навстар GPS.
Судовой навигационный приемник спутниковой
радионавигационной системы (СРНС) Навстар GPS помимо плановых координат, вектора абсолютной скорости и точного времени определяет возвышение своей антенны над поверхностью геоида. В отечественной практике навигационного применения приемников системы GPS чаще используется система геодезических координат WGS 84. В ней возвышения определяются как расстояния по нормали к поверхности одноименного геоида. В некоторых типах приемников возвышение антенны отображается на экране индикатора. В каждом приемнике в обязательном порядке возвышение выводится на внешние устройства через порт вывода в формате NMEA. Эта информация может содержаться в предложениях $GPGGA, $GPGMP или $GpGnS [1]. В данных предложениях содержатся возвышение антенны в метрах над геоидом и отстояние поверхности геоида от поверхности референц-эллипсоида в данной точке поверхности Земли. Отстояние считается отрицательным, если поверхность геоида располагается ниже поверхности референц-эллипсоида. Так как поверхность геоида в первом приближении принимается за средний уровень моря, то при неизменной осадке судна рассчитываемое возвышение антенны должно быть неизменным. Однако вследствие неизбежных погрешностей, сопровождающих измерения радионавигационных параметров и вычисления, возвышение будет содержать как случайные, так и систематические погрешности. К сожалению, изучение погрешностей определения судовым приемником GPS возвышения антенны не привлекло достаточного внимания отечественных и зарубежных исследователей.
Многолетний опыт применения судовой аппаратуры СРНС Навстар GPS позволил обнаружить целый ряд ситуаций, в которых исправный приемник прекращал нормально функционировать. Как потом выяснялось, причинами тому были сбои в работе спутников системы GPS, сильные магнитные бури, высокий уровень промышленных помех, а также сбои в работе дифференциальных станций. Так, в частности, в лаборатории спутниковых технологий и мониторинга Института защиты
моря Морского государственного университета им. адм. Г.И. Невельского, где был в свое время налажен круглосуточный непрерывный контроль за работой приемника Garmin GPS-128 в течение нескольких лет с автоматической записью предложений NMEA 0183 на жесткий диск персонального компьютера, автором зарегистрирована непродолжительная аномальная работа системы Навстар GPS. Произошло это
1 января 2004 года. Связано оно было со значительным ухудшением работы приемников СРНС Навстар GPS из-за выхода из строя бортового атомного стандарта частоты спутника PRN 23. Это событие вскоре было названо «новогодним эффектом». На рис. 1 показано, как изменялось возвышение антенны приемника GPS-128 во время действия «новогоднего эффекта» [2].
Поэтому давно существует проблема оперативного и автономного обнаружения в судовых условиях функциональной ненадежности работы приемника СРНС Навстар GPS. Проблема усугубляется тем, что на судах, как правило, приемник системы GPS является единственным источником навигационной информации.
Рис. 1. График изменения возвышения антенны 1 января 2004 г. с 18 ч 29 мин до 18 ч 36 мин UTC
Если возвышение антенны судового приемника априори является величиной постоянной, то ее изменение может служить признаком ухудшения функциональной надежности и основанием для принятия решения о прекращении использования GPS-приемника в качестве источника навигационной информации. Однако здесь возникает проблема устранения так называемого «ложного срабатывания», обусловленная естественными изменениями возвышения антенны вследствие случайных и систематических погрешностей.
Цель данной статьи заключается в предварительном изучении динамики изменения возвышения на примере приемника GP-37.
В качестве объекта исследования здесь взяты выборки из непрерывных записей на жесткий диск ноутбука предложений NMEA
$GPGGA от приемника Furuno GP-37. Наблюдения проводились автором на территории Уссурийской астрофизической обсерватории ДВО РАН летом и осенью 2005 года. Предварительная обработка наблюдений показала отклонения возвышений в небольших пределах. Тем не менее один раз в сутки наблюдались всплески величин. В качестве примера суточных изменений антенны приемника GP-37 на рис. 2 изображен график осредненных за 5 мин возвышений, зарегистрированных 30 июля. В таблице сведены основные результаты обработки осредненных за 1 мин возвышений, зарегистрированных в двух сутках летом и в двух сутках осенью.
На рис. 2 видны суточные изменения, что можно расценить как возможность создания математической модели прогнозирования тренда изменения возвышений антенны. Такая модель позволит еще точнее отфильтровывать случайные и систематические погрешности.
Рис. 2. Осредненные за 5 мин возвышения, зарегистрированные 30 июля 2005 г.
Параметры распределений возвышения антенны
Параметр Дата наблюдений
26 июля 30 июля 20 октября 28 октября
Средняя величина, м 279,93 279,57 278,45 278,12
Среднеквадратичное Отклонение, м 2,7 2,24 2,56 2,45
Минимальная величина, м 269 271,35 270,73 269,42
Максимальная величина, м 288,78 290,23 287,45 285,69
Размах варьирования, м 19,78 18,88 16,74 16,27
Анализируя данные таблицы, можно заметить незначительное изменение среднего квадратического отклонения, что является косвенным признаком стационарности процесса изменения обсервованного возвышения антенны. Сравнение средних величин свидетельствует, во-первых, о существовании сезонной компоненты в систематических погрешностях, во-вторых, об уменьшении ее к осени. Нельзя не заметить также уменьшение осенью размаха варьирования обсервованного возвышения по сравнению с летними наблюдениями. Разумеется, для получения исчерпывающих характеристик потребуются дополнительные наблюдения.
Теперь можно сравнить динамику изменения обсервованного возвышения 1 января 2004 г. с характеристиками, полученными в наблюдениях 2005 г. Начало воздействия на возвышение антенны приемника над геоидом 1 января было зафиксировано в 18 ч 29 мин 35 с, что на
6 с раньше по сравнению с абсолютной скоростью и путевым углом. С этого момента возвышение неуклонно уменьшалось, достигнув значения 201,2 м. Следовательно, размах варьирования составил 251,6 м. Окончание воздействия отмечено в 18 ч 35 мин 17 с, что совпало с окончанием воздействия на долготу и почти совпало с окончанием воздействия на скорость и путевой угол. Таким образом, общая скорость изменения составила 0,73 м/с. На рис. 1 видно, что на первом этапе наблюдается довольно плавное изменение возвышения антенны со скоростью 0,64 м/с. Второй этап характеризуется скоростью изменения 2,05 м/с.
На рис. 2 представлено наиболее динамичное изменение возвышения антенны приемника GP-37, зарегистрированное 30 июля 2005 г. За час возвышение изменилось всего на 18,2 м, что намного меньше, нежели 1 января 2004 г. Отсюда вполне естественно вытекает форма критерия, с помощью которого можно оценивать надежность определения обсервованных координат приемником СРНС Навстар GPS. Обозначим через vh скорость изменения обсервованного возвышения антенны судового GPS-приемника. Пусть hi и ^ будут возвышениями антенны, измеренными в моменты времени ti и соответственно. Тогда
АЛ Ло - Л1 ,
vh = -Т7 = -Óà < Vb At t2 ~ U
где v'h - допустимая скорость, которая является признаком
функциональной ненадежности работы приемника СРНС Навстар GPS.
Данный критерий будет весьма полезным для лабораторных исследований в режиме постобработки, но он не годится для
применения в судовых условиях, так как не отвечает требованию оперативности. Современные приемники обновляют обсервованные координаты каждую секунду. Поэтому критерий запишем в следующем виде:
Ah = hi - h, 1 < Ah',
где h; и /j - текущее и предыдущее значения обсервованных
возвышений антенны соответственно, Ah’ - предельно допустимая разность возвышений.
Понятно, что определение точной величины Ah', на основании которой можно надежно оценивать складывающуюся ситуацию в процессе определения обсервованных координат, потребует длительных одновременных наблюдений за работой нескольких приемников СРНС Навстар GPS.
Проделанные расчеты и рассуждения позволяют сделать следующие выводы и предложения.
1. Анализ данных, полученных в результате наблюдений в 2004 и 2005 гг., показал высокую чувствительность обсервованного возвышения антенны приемника к аномальным явлениям в работе СРНС Навстар GPS.
2. В ходе предварительной обработки получены характеристики распределения обсервованных возвышений антенны над геоидом WGS 84.
3. Обнаружена сезонная зависимость средних величин обсервованных возвышений.
4. Предложены критерии оценки функциональной надежности работы приемника СРНС Навстар GPS. Расчеты предложенных критериев легко реализуются на самой простой вычислительной технике, способной сопрягаться с приемником в стандарте NMEA 0183.
б. Необходимы дальнейшие исследования, направленные на более детальное изучение свойств обсервованного возвышения как случайной величины и уточнения параметров распределения разностей.
6. Нельзя забывать о том, что полученные результаты соответствуют неподвижной антенне. В судовых условиях из-за качки неизбежны вертикальные перемещения антенны, которые также необходимо учитывать при формировании окончательного вида критерия функциональной надежности.
Библиографический список
1. National Marine Electronic Association NMEA 0183. Standard For Interfacing Marine Electronic Devices. Version 3.00. July 1, 2000. - 115 p.
2. Комаровский Ю.А. Воздействие ухода частоты спутника PRN23 на работу навигационного приемника СРНС Навстар GPS // Транспортное дело России. 2005. № Э. С. 8-10.
