СПОСОБ ОБРАБОТКИ НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ ПРИЕМНОЙ АППАРАТУРЫ СНС Текст научной статьи по специальности «Строительство и архитектура»

УДК 004

СПОСОБ ОБРАБОТКИ НАВИГАЦИОННЫХ ДАННЫХ ПРИЕМНОЙ АППАРАТУРЫ СНС

О.С. Балабаев, В. А. Смирнов

Предложен метод обработки данных спутниковых навигационных систем, повышающий точность определении текущего местоположения подвижного объекта. Приведены результаты экспериментальных исследований, подтверждающие работоспособность предлагаемого способа.

Ключевые слова: навигация подвижного объекта, приемная аппаратура СНС, протокол ЫЫЕЛ, одноплатный компьютер, среднеквадратическое отклонение, проекция Меркатора.

Системы определения местоположения стали неотъемлемой частью современного мира. Приемной аппаратурой спутниковой навигации ОР8/ГЛОНАСС (ПА СНС) сейчас оснащается большое количество транспортных средств, ПА СНС широко используется для персональной навигации. Из-за погрешностей, обусловленной рядом причин, таких как геометрия расположения спутников, многолучевость, ионосферные и тропосферные задержки, итоговый результат не соответствует в точности маршруту объекта. В статье предлагается решение по повышению точности спутниковой навигации, основанное на статистической обработке потока навигационной информации.

Обработка принимаемых данных разделена на два этапа: предварительное прореживание пакетов по критериям точности и целостности, и фильтрация на основании критериев статистической обработки.

Для считывания данных использован стандартный протокол КМБЛ. В каждом КМБЛ-сообщении содержатся данные, характеризующие погрешность определения координат на основе текущих навигационных сообщений - ИВОР и УВОР. Суммарная величина максимально допустимой погрешности местоположения определяется формулой:

РВОР = л/ ИВОР2 + УБОР2 , (1)

где УБОР и ИВОР - значения горизонтальной и вертикальной погрешности определения местоположения.

Согласно ресурсу [1], максимально допустимые значения параметров ИВОР и УВОР равны 3...6 м, 4...7 м соответственно. В этом случае в качестве максимально допустимой суммарной погрешности можно принять величину РВОРтах = 7,1 м.

Если рассчитанное по текущим принимаемы данным значение РВОР больше РВОРтах, данный пакет отбрасывается, как непригодный для измерений.

После осуществления предварительного прореживания данных осуществляется переход от геодезических координат в системе WGS84, формируемых ПА СНС, к нормальной земной системе координат, выбран-

183

ной в соответствии с используемой картографической проекцией. Формулы перехода от геодезических координат к прямоугольным в заданной картографической проекции имеют вид [2]:

X = а • ф,

У = а • 1п

р 1

—+ —

V 4 2 ,

1 - е • Бт ф 1 + е • Бт ф

(2)

V у

где X ,У - координаты в декартовой картографической системе координат; а - большая полуось общеземного эллипсоида; е - эксцентриситет общеземного эллипсоида; 1 - долгота; ф - широта.

После преобразования координат данные подвергаются двухэтап-ной фильтрации. На первом этапе проводится отсев аномальных измерений. Критерием пригодности точки к дальнейшему анализу, является её удаленность от предыдущей, - если расстояние между точками больше 3 метров, то фильтр её «отбрасывает», если меньше, то такая точка становится «текущей». Расстояние йру между текущей / и предыдущей у точками, рассчитывается обычным образом (3):

йрг] = д/(Х] + иХ1] ■ М у - X)2 + (Уу + иуи ■ М у - У )2 , (3)

где и

X, Ху, у,

Уу

координаты точек; и

ху

0,5(и

х/ ху ^

УУ = 0,5(и у/ + и у) - проекции средней скорости на интервале времени у на соответствующие оси; и Х/, и у/ и и ху и у - проекции скорости в точках / и у, соответственно; А( у - интервал времени между измерениями / и у .

Вторым этапом работы фильтра является оценка среднего значения скорости и и значения её среднеквадратического отклонения о. Далее задаётся доверительное окно по правилу 3о относительно среднего значения, и проверяется принадлежность текущей точки к треку: если точка с текущей скоростью попадает в доверительное окно по величине средне-квадратического отклонения в соответствии правилу трёх сигм, то такая точка является точкой трека. Таким образом, формируется условие (4):

о =

(4)

1 п _

-Е (ик пк=1

и - 3о < и < и + 3о, где и - текущее значение скорости; и - среднее значение скорости.

По оставшимся после фильтрации точкам осуществляется построение траектории движения подвижного объекта.

184

е

2

Для проверки разработанного алгоритма был собрана экспериментальная установка, в состав которой входит одноплатный компьютер и GPS - приёмник. Структурная схема экспериментальной установки показана на рис. 1.

UPS приемник Широта, долгота,

Высота, скорость,

OOP - факторы

Одноплатный компьютер Raspberry pi 3

Координаты X, Y, Z,

Скорость

Рис. 1. Структурная схема устройства обработки навигационных

данных

На рис. 2 показаны результаты определения положения подвижного объекта экспериментальной установкой. Результаты эксперимента показывают, что алгоритм исправно определяет точки, в которых скорость равна нулю. Также в процессе эксперимента был зарегистрирован скачок погрешностей определения координат, что отразилось на записываемом треке.

Рис. 2. Построение траектории движения в локальной системе координат в процессе движения

Программное обеспечение, разработанное для проведения эксперимента, имеет возможность строить графики изменения величин геометрических факторов - ИБОР, РБОР, УБОР (рис. 3, а) и статистические показатели точности - среднеквадратическое отклонение (СКО) и круговое вероятное отклонение (КВО) (рис. 3, б).

На рис. 3 показаны графики, отражающие характер изменения СКО [2] - величины данных, обработанных во время эксперимента. Эта величина выражает точность позиционирования на плоскости, является квадратным корнем из суммы квадратов СКО по осям X и У локальной системы координат (рис. 4).

На рис. 5 приведены экспериментальные данные для неподвижного объекта. На изображении видно, что в процессе приёма навигационной информации было зарегистрировано понижение её точности, а также некоторые точки не попали в доверительное окно, что показывает работоспособность алгоритма.

300

Номер точки

Рис. 3. Графики точности системы: а - изменение геометрических факторов точности; б - изменение СКО и КВО

График изменения высоты по исходным данным Характерные точки

Л-ггл-...... -График изменения скорости по исходным данным ■ * Характерные точки —Среднее значение Доверительное окно з сигмы

ft ft /У! i

% . .............* Т —

Номер точки

Рис. 4. Графики измеряемых величин подвижного объекта: а - изменения показаний высоты; б - результат обработки показаний

скорости подвижного объекта

. "битые пакеты данных"

-График изменений скорости по исходным данным

• Характерные точки Среднее значение - - ■ Доверительное окно 3 сигмы

точки не входящие в доверительное окно

¿1т1ЫктЛ » . «V J' J vV .

Рис. 5. График изменения скорости неподвижного объекта

Результаты показывают, что ошибки локализации от предлагаемого метода составляют одну треть первоначальных ошибок позиционирования GPS. Это означает, что исследуемая часть комплексированной системы от-

186

вечает заявленным требования, а именно минимизирована ошибка определения координат местоположения подвижного объекта в локальной плоскости.

Список литературы

1. Поваляев А.А. Задачник по радиосистемам управления и глобальным навигационным спутниковым системам: учебное пособие. Москва, Горячая линия - Телеком, 2018, 126 с.

2. Пересчёт координат из lat/long в проекцию Меркатора и обратно [Электронный ресурс]. URL: http://gis-lab.info/qa/dd2mercator.html (дата обращения: 10.10.2019).

3. GPS Position Accuracy Measures. APN-029 Rev 1. 6 p.

Балабаев Олег Сергеевич, студент, olezhkahalahaevagmail.ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет,

Смирнов Владимир Александрович, канд. техн. наук, доцент, veldO 7laramhler. ru, Россия, Тула, Тульский государственный университет

METHOD FOR PROCESSING MOBILE OBJECT GEOLOCATION DATA IN LOCAL

COORDINA TE SYSTEM

O.S. Balahaev, V.A. Smirnov

A method for processing the flow of navigation information is proposed, as a result of which the minimization of errors in determining the current location of a moving object hoth in world space (WGS84) and in a normal earth coordinate system selected in accordance with the used map projection is increased. The experiment was conducted on assemhled experimental equipment, which reflects the work of the proposed method.

Key words: location of a moving ohject, GPS receiver, NMEA protocol, single hoard computer, standard deviation, Mercator projection.

Balahaev Oleg Sergeevich, student, olezhkahalahaevagmail. ru, Russia, Tula, Tula State University,

Smirnov Vladimir Alexandrovich, candidate of technical sciences, docent, veldO7laramhler.ru, Russia, Tula, Tula State University