CC BY
37■т
Проектирование и технология радиоэлектронных средств
УДК 621.396.96
А. В. Немов, Д. А. Немов, Д. Ю. Тюфтяков Санкт-Петербургский государственный электротехнический университет
"ЛЭТИ" им. В. И. Ульянова (Ленина)
Спутниковый помехоустойчивый комплекс для геодезических привязок на местности'
Описан помехозащищенный аппаратно-программный комплекс для геодезических измерений на протяженной территории. Основой комплекса являются спутниковые геодезические станции и антенный подавитель помех. Для разрешения фазовой неоднозначности и обеспечения высокой точности измерений используется всемирная сеть геодезических станций, информация от которой поступает через Интернет с помощью терминалов спутниковой связи. Помехозащищенность мобильной геодезической станции обеспечивает антенный подавитель помех, представляющий собой цифровую фазированную антенную решетку. Экспериментально подтвержденная абсолютная погрешность привязки координат в режиме постобработки в условиях действия мощных помех не более 35 см.
Спутниковая геотроника, комплекс, фазовые измерения, фазированная антенная решетка, помехоустойчивость
Описанные в настоящей статье принципы организации и функционирования помехозащищенного аппаратно-программного комплекса (ПАПК) для геодезических измерений являются базисом создания в Российской Федерации аппаратуры спутниковой геотроники [1] с высокой помехоустойчивостью. Комплекс предназначен для обеспечения высокоточных геодезических привязок на протяженной территории в условиях воздействия индустриальных и преднамеренных помех.
ПАПК обеспечивает прием, хранение и обработку информации, поступающей от спутниковой навигационной системы (СНС) ГЛОНАСС/ОРБ, спутникового терминала связи "Инмарсат" или иного оборудования, обеспечивающего точку доступа в Интернет, а также дополнительной информации от центра управления.
Использование ПАПК дает возможность:
- обеспечить полуавтоматическую высокоточную привязку объекта к геодезической системе ко -ординат на протяженной местности и контролировать смещение объекта в этой системе координат;
- повысить качество геодезических измере-
ний в условиях воздействия на мобильные станции мощных помех искусственного или естественного происхождения.
Структура и технические характеристики ПАПК. Аппаратно-программный комплекс состоит из мобильного комплекта (МК) аппаратуры и комплекта аппаратуры контрольно-корректирующей станции (ККС), размещаемой на удале -нии (вне зоны действия помех) для информационной поддержки МК. В ККС предусмотрена возможность геодезической привязки к европейской земной референцной геодезической сети (EUREF permanent network - EPN) [2] или регистрации сети IGS Международной геодезической ассоциации. Вместо ККС могут непосредственно использоваться базовые станции EPN или IGS. Связь между комплектами ПАПК, а также между МК и станциями EPN/IGS, как это предложено авторами настоящей статьи ранее , осуществляется посредством выхода в Интернет с помощью терминалов спутниковой связи. Возможно также использовать для этой цели спутниковую связную систему "Инмарсат" [3], непосредственно пред-
Работа выполнена при поддержке Минобрнауки РФ в рамках ФЦП "Научные и научно-педагогические кадры инновационной России на 2009-2013 годы" (соглашение № 14.В37.21.0432 от 01.09.2012 г.)
2
http ://www.gisa.ru/45895.html
3
http ://satcomdv.ru
48 © Немов А. В., Немов Д. А., Тюфтяков Д. Ю., 2013
назначенную для широкополосного доступа в Интернет. Другое достоинство сети заключается в высокой помехоустойчивости связи, достигаемой за счет адаптивной фокусировки узкого (шириной 2...3°) луча на спутники и применения помехоустойчивого кодирования. Недостаток сети состоит в том, что связью не покрываются приполярные области геоида.
В состав ПАПК входят:
- спутниковая геодезическая аппаратура потребителей (СГА) ГЛОНАСС/ОРБ, используемая для автоматического и полуавтоматического высокоточного определения составляющих относительных и абсолютных координат фазового центра устройства антенного (УА) СГА в МК;
- антенный подавитель помех (АПП), обеспечивающий пространственную избирательность внут-ридиапазонных помех СНС ГЛОНАСС/вРБ;
- высокопроизводительное вычислительное средство на основе защищенной ПЭВМ;
- технологический комплект ККС;
- терминалы спутниковой связи для обеспечения обмена информацией с технологическим комплектом ККС ПАПК и приема данных от всемирной сети геодезических станций БРК;
- сертифицированные для работы в жестких климатических условиях источники электропитания;
- программное обеспечение (ПО), предназначенное для синхронизированного сбора данных из составных частей ПАПК и обмена информацией между мобильной частью ПАПК и информационно-управляющим комплексом (ИУК); ПО для обеспечения работы сервера СГА и обмена информацией между СГА мобильного и технологического комплектов либо приема корректирующих данных от базовых станций БРК; ПО для постобработки данных СГА; ПО для обеспечения работы СГА в режиме кинематики в реальном времени и др.
Структурная схема мобильного комплекта ПАПК и условное изображение структуры базовой станции представлены на рис. 1.
Основные технические характеристики ПАПК:
- среднеквадратическое отклонение определения местоположения не более 10 см в условиях отсутствия помех, 35 см при воздействии мощных помех на АР АПП СГА мобильного комплекта;
- временной интервал обновления и передачи по интерфейсу зарегистрированных данных внешним потребителям и в ИУК от 0.1 до 1 с по выбору оператора;
СГА ГЛОНАСС/GPS
АПП
1 1 J L \
< /
AN W
СГА ГЛОНАСС/GPS
Защищенный ноутбук
Вычислительный комплекс
А\ \п/
Спутниковый терминал "Инмарсат"
3 ,
г^)
\ "Инмарсат" /
А\ \п/
Рис. 1
МК ПАПК
Ethernet
К ИУК
Источник питания
>
220 В, 50 Гц
ККС ПАПК
Л Источник
Интерфейс выхода в Интернет * питания
220 В, 50 Гц
Таблица 1
Наименование Комплектация Количество, шт.
МК ПАПК
СГА ГЛОНАСС/ОРБ Аппаратура "Изыскание-М" ТСЮИ.461531.047 производства ОАО "РИРВ" (г. Санкт-Петербург) 1
Защищенный ноутбук Getac M230N-5 1
АПП Подавитель помех автоматический совместного производства ОАО "РИРВ" (г. Санкт-Петербург) и ЗАО «КБ "НАВИС"» (г. Москва) 1
Спутниковый терминал связи "Инмарсат" Thrane&Thrane fleet broadband sailor 250 1
Источники питания, сертифицированные для использования жестких климатических условиях PS-103; 12 В, 20 A 1
ККС ПАПК
СГА ГЛОНАСС/GPS Станция "МГККС" ТСЮИ.461531.046 производства ОАО "РИРВ" (г. Санкт-Петербург) 1
Интерфейс выхода в Интернет Thrane&Thrane fleet broadband sailor 250 1
Вычислительный комплекс Getac M230N-5 1
Источник питания PS-103; 12 В, 20 A 1
- заданные нормы, обеспечиваемые при максимальном расстоянии между мобильной и технологической частями ПАПК либо мобильной станцией ПАПК и базовой станцией EPN порядка 80. ..150 км.
Состав аппаратуры, входящей в ПАПК, приведен в табл. 1. Основу аппаратуры составляет СГА производства ОАО "РИРВ" как одна из лучших в классе.
Программное обеспечение ПАПК. Значительная часть функциональности ПАПК обеспечивается специализированным программным обеспечением, входящим в комплект поставки СГА или используемым совместно с ним.
Разработанное для ПАПК ПО АПМ СНС [4] предназначено для синхронизированного сбора данных из составных частей ПАПК и обмена информацией между МК ПАПК и ИУК.
Программное обеспечение СГА позволяет решать основные задачи апостериорной обработки как статических, так и динамических наблюдений, обеспечивает решение задач реального времени и взаимодействия с оператором СГА.
В комплекте с геодезической аппаратурой ОАО "РИРВ" поставляет необходимое программное обеспечение: "BL-Geo" for Windows [3] - для решения задач постобработки, GeoRTK - для управления аппаратурой и решения задач реального времени и др.
Пакет программ "BL-Geo" ориентирован на обработку измерений как собственных, так и сто-
4
http://www.rirt.ru/rubrikator
5 Geo-RTK: Рук-во пользователя / ОАО "РИРВ", СПб., 2003 // http://yadi.Sk/d/V9ztsVG9FzThs
ронних одно- и двухчастотных геодезических приемников ГЛОНАСС/GPS и GPS. Пакет позволяет обрабатывать измерения, полученные в режимах съемки "Статика", "Быстрая статика", "Истинная кинематика" (с инициализацией), "Кине-матика-на-лету" (без инициализации), "Стой-иди" (Stop-and-Go) и "Реоккупация".
Алгоритмы разрешения фазовой неоднозначности измерений [2] позволяют получить высокоточные определения положений пунктов на базисах длиной до 100 км и более, в том числе с использованием точных эфемерид SP3.
Наряду со стандартными возможностями постобработки предусмотрен набор средств для решения задач в неблагоприятных условиях.
Утилиты уравнивания и перевычисления ко -ординат позволяют решать типовые задачи уравнивания сети и получения местных координат и высот пунктов.
Базы данных создаваемых проектов основаны на использовании открытых стандартных таблиц Paradox. В результате ПО может дополняться новыми утилитами самим пользователем.
Настройка приемника, ввод сценариев работы, а также выгрузка накопленных измерений, осуществляются камерально при помощи интерфейсного ПО "GeoRTK", установленного на ПЭВМ или планшетный компьютер. Наряду с этим ПО обеспечивает и работу в реальном времени, также поддерживая режимы RTK со статической одночастотной и динамической двухча-стотной инициализациями.
Поставляемое в комплекте с СГА ПО NTRIP-сер-вера и NTRIP-клиента подверглось доработке для
Таблица 2
Наименование Назначение
"GeoRTK" Интерфейсная программа СГА "Изыскание-М" предназначена для подготовки приемников геодезии-ческого класса к проведению различных видов съемки (RTK, "Статика", "Стой-Иди", "Кинематика", "Кинематика-на-лету"), управления приемником во время съемки, а также импорта в персональный компьютер (ПК) зарегистрированной приемниками информации, с формированием в ПК файлов, используемых в дальнейшем пакетом программ постобработки спутниковых измерений "BL-Geo"
"BSSer" Программа NTRIP-сервер, предназначенная для формирования NTRIP-сообщений из входящего потока сообщений с дифференциальными данными от контрольно-корректирующей станции в формате RTCM и выдачи NTRIP-сообщений в сеть Интернет
"CorRec" Программа NTRIP-клиент, предназначенная для приема из сети Интернет NTRIP-сообщений от выбранного NTRIP-сервера, преобразования принятых сообщений в формат RTCM и их выдачи в приемник геодезического класса
"BL-Geo" Программа постобработки одно- и двухчастотных данных приемников геодезического класса, 32-разрядное приложение Windows
АПМ СНС Программа предназначена для сбора NMEA сообщений от СГА "Изыскание-М", индикации принимаемых данных и формирования UDP-пакетов для передачи в ИУК или к иным внешним потребителям
"G-CRS-IP" Программа предназначена для выгрузки из памяти СГА "МГККС" зарегистрированных данных
"Сom0com" Программа для создания пары виртуальных COM-портов на ПК с операционной системой Windows с целью обеспечения взаимодействия ПО GeoRTK и ПО АПМ СНС
обеспечения взаимодействия с СГА "Изыскание-М" и "МГККС" с терминалами спутниковой связи "Инмарсат" и выхода в Интернет. Перечень функционального ПО СГА и его назначение приведены в табл. 2.
Защита аппаратуры ПАПК от помех. Устройство защиты представляет собой цифровую антенную решетку (ЦАР) с преобразованием сигналов к СВЧ-входу СГА [6].
АПП состоит из следующих основных узлов: собственно антенной решетки (АР) из семи приемных резонаторов, центральный из которых предназначен для работы в диапазонах частот Ь1, Ь2, а периферийные - для приема сигналов навигационных космических аппаратов (НКА) диапазона частот Ь1; пространственного адаптивного фильтра помех [6]; устройства управления и устройства преобразования очищенных от помех системных сигналов НКА на СВЧ ко входу аппаратуры СГА "Изыскание-М".
Адаптивная компенсация помех [7] реализована в ЦАР и сводится к адаптации вектора весовых коэффициентов (ВВК) w по рекуррентно оцененной корреляционной матрице Я принятых АР в диапазоне частот Ь1 колебаний. Выходной сигнал фильтра помех вычисляется по формуле
у (к) = wH (к) X (к) ,
где х(к) - вектор входных отсчетов; - символ эрмитова сопряжения.
Оптимальный ВВК, полученный по критерию максимального правдоподобия [7], выглядит следующим образом:
wopt =
где
R (k) = E [x(k) xH (k)] -
корреляционная
матрица входных отсчетов; - символ комплексного сопряжения.
Если АР состоит из М резонаторов, то Я является матрицей с размерами М х М, а фокусирующий вектор имеет вид
Н = {ехр [-]2/хтг (, ег )]}Т, т = 0, 1, ..., М,
где /о - несущая частота навигационного сигнала; ттг (фг, ег) - время запаздывания сигнала г-го НКА на т-м приемном резонаторе АР; фг, ег -азимут и угол, дополняющий угол места г-го НКА относительно центра АР до 90° соответ-" т"
ственно; - символ транспонирования.
Экспериментальная проверка функционирования ПАПК. Достоверные количественные характеристики работы ПАПК ввиду высокой сложности расчетов аналитически получить практически невозможно. Поэтому на испытательной площадке ОАО "РИРВ" был поставлен натурный эксперимент.
Состав экспериментального стенда:
- МК: подавитель помех автоматический, аппаратура "Изыскание-М" ТСЮИ.461531.047;
- ККС: аппаратура "МГККС" ТСЮИ.461531.046;
- ПО постобработки геодезических измерений "БЬ-Оео".
Ф,
330,^"
300 300
Рис. 3
I
I
/
/ ^
30
/Ч
\
\
601 .-Т--
I I
30 30
! / \ А А \ \
' ' ^ ' \ \ i / , ' 1 / ^ I * I
I I / е, \ I
27°----Г —f"Г""" "I90
60
У\
I •
\ Позиция 1
^ "К \ ^ 4
\
I
I
120
V / Ч /
| / 4 ч
240 \ >>> I 90 /
\ / \
Позиция 2 210^^ в | 150
Т80
Рис. 4
В эксперименте обрабатывались данные, предварительно полученные в сеансах двух типов:
- с короткой базой (около 8 м);
- с длинными базами (около 20 и 73 км). Взаимное расположение МК и ККС ПАПК
(эксперимент с короткой базой), а также МК и двух используемых геодезических станций (эксперимент с длинными базами), иллюстрируется рис. 2 и 3 соответственно (на рис. 3 PULK - базо-
вая станция "Пулково" (EUREF); SVTL - базовая станция "Светлое" (IGS)).
Эксперимент проводился при отсутствии помех, а также при воздействия одиночной широкополосной шумовой помехи (А/ = 9 МГц), приходящей
с одной из двух возможных позиций (рис. 4). Методика проведения испытаний состояла в следующем.
В эксперименте с короткими базами задей-ствовались МК и ККС из состава экспериментального стенда. Координаты точки установки УА ККС ПАПК привязывались к станции PULK с погрешностью 2.5 см.
В сеансах продолжительностью 1 ч проведена синхронная регистрация данных МК и ККС ПАПК:
- при выключенном подавлении помех в АПП МК и отсутствии помех;
- при включенном подавлении помех в АПП МК в диапазоне L1 ГЛОНАСС и наличии помехи мощностью -125 дБ Вт в диапазоне L1 ГЛОНАСС;
- при включенном подавлении помех в АПП МК в диапазоне L1 GPS и наличии помехи мощностью -125 дБ Вт в диапазоне L1 GPS.
Для каждого сеанса с помощью ПО "BL-Geo" проведена постобработка измерений по базовой линии ККС-МК. Получены координаты определяемой точки установки АР МК по GPS L1; ГЛОНАСС L1; ГЛОНАСС L1, L2 и оценки сред-неквадратической погрешности (СКП) о определения координат. Измерены абсолютные смещения координат A3D определяемых точек при воздействии помех относительно координат, определенных при отсутствии помех. Результаты эксперимента с короткой базой приведены в табл. 3.
В эксперименте с длинными базами задействован только МК из состава экспериментального стенда. В сеансах продолжительностью 5 ч проведена регистрация данных в МК:
- при выключенном подавлении помех в АПП МК и отсутствии помех;
- при включенном подавлении помех в АПП МК в диапазоне L1 ГЛОНАСС и наличии помехи мощностью -95.. .-90 дБ Вт в диапазоне L1 ГЛОНАСС;
- при включенном подавлении помех в АПП МК в диапазоне L1 GPS и наличии помехи мощностью -95 .-90 дБ Вт в диапазоне L1 GPS.
Уровень помехи в каждом сеансе устанавливался таким образом, чтобы среднее отношение "сигнал/шум" для спутников пораженной помехой системы на выходе АПП было не менее 40 дБ/Гц (контролировалось с помощью ПО "GeoRTK").
Таблица 3
Направление Тип решения
Режим работы Базовая линия GPS L1 ГЛОНАСС L1 ГЛОНАСС L1, L2
прихода помехи о, м A3D, м о, м A3D, м о, м A3D, м
Помехозащита отключена - 0.005 - 0.005 - 0.005 -
Помехозащита ГЛОНАСС включена 1 ККС-МК 0.005 0.009 0.005 0.004 0.005 0.014
2 0.005 0.006 0.005 0.011 0.005 0.015
Помехозащита 1 0.006 0.076 0.005 0.026 0.005 0.048
GPS включена 2 0.005 0.012 0.005 0.012 0.006 0.023
Таблица 4
Направление Тип решения
Режим работы Базовая линия GPS L1 ГЛОНАСС L1 ГЛОНАСС L1, L2
прихода помехи о, м A3D, м о, м A3D, м о, м A3D, м
Помехозащита PULK-МК 0.023 - - - - -
отключена SVTL-МК 0.100 - 0.093 - 0.067 -
Помехозащита ГЛОНАСС включена 1 PULK-МК 0.025 0.034 - - - -
SVTL-МК 0.074 0.335 0.077 0.163 0.046 0.285
2 PULK-МК 0.024 0.037 - - - -
SVTL-МК 0.074 0.295 0.075 0.138 0.043 0.199
1 PULK-МК 0.023 0.166 - - - -
Помехозащита SVTL-МК 0.079 0.356 0.075 0.240 0.039 0.224
GPS включена 2 PULK-МК 0.030 0.113 - - - -
SVTL-МК 0.080 0.219 0.074 0.170 0.038 0.224
Измерения по станциям PULK и SVTL на соответствующие даты загружались с Интернет-ресурса GNSS Data Center http://igs.bkg.bund.de/.
Для каждого сеанса проведена постобработка в ПО "BL-Geo" измерений по базовым линиям PULK-MK, SVTL-МК. Получены координаты определяемой точки МК по GPS L1; ГЛОНАСС L1 (только для линии SVTL-МК); ГЛОНАСС L1, L2 (только для линии SVTL-МК) и оценки СКП о определения координат. Измерены абсолютные смещения координат A3D определяемой точки в случаях воздействия помех относительно случая отсутствия помех. Результаты эксперимента с длинными базами приведены в табл. 4.
На основании разработки и проведенных исследований комплекса можно считать, что ПАПК
является уникальным аппаратно-программным комплексом для прецизионных измерений координат на местности по спутниковым системам ГЛОНАСС/ОРБ в условиях воздействия помех. Прием/передача данных через точки доступа в Интернет с высокой помехоустойчивостью, обеспечиваемые спутниковыми терминалами связи, наряду с использованием для измерений координат отечественной двухчастотной спутниковой аппаратуры геодезического класса и антенного подавителя помех на основе ЦАР обеспечивают высокую точность измерений при широкой зоне охвата на местности.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Антонович К. М. Использование спутниковых радионавигационных систем в геодезии: в 2 т. М.: ФГУП "Картгеоцентр", 2005. 694 с.
2. Аппаратно-программный комплекс для прецизионных измерений на море / А. М. Иванов, А. В. Не-мов, Д. Ю. Тюфтяков, М. А. Чистов // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2013. Вып. 3. С. 96-106.
3. BL-Geo for Windows. Постобработка спутниковых измерений: рук-во пользователя / ОАО "РИРВ". СПб., 2010. 212 с.
4. Немов А. В., Немов Д. А., Соколов А. А. Специальное программное обеспечение аппаратно-программного модуля спутниковых навигационных си-
стем (СПО АПМ СНС) / Свид. о государственной регистрации программы для ЭВМ № 2012616531, зарег. в реестре программ.
5. Слюсар В. Схемотехника цифровых антенных решеток // Связь и телекоммуникации. 2004. № 1. С. 34-40.
6. Немов А. В., Тюфтяков Д. Ю. Применение пространственно-поляризационного фильтра помех в аппаратуре потребителей ГЛОНАСС // Изв. СПбГЭТУ "ЛЭТИ". 2011. Вып. 7. С. 3-10.
7. Немов А. В., Тюфтяков Д. Ю. Алгоритмы быстрой фокусировки антенной решетки в ГНСС // Радиотехника. 2012. № 7. С. 23-26.
A. V. Nemov, D. A. Nemov, D. Y. Tyuftyakov Saint-Petersburg state elektrotechnical university "LETI"
Jam-resistant satellite complex for geodetic precision instrumentations
The unique satellite noise protected complex for coordinates estimation and geodetic linking is described. Technologies of global satellite navigation, satellite communication and Internet are put into practice simultaneously. EUREF Permanent Network is used for phase ambiguity resolution and high precision estimation providing. A digital adaptive antenna array protects a mobile satellite geodetic station against jammers and industrial disturbances. The absolute coordinate estimation error does not exceed 0.35m when disturbances act. Satellite geotronics, complex, phase measurements, adaptive antenna array, anti jamming
Статья поступила в редакцию 25 октября 2013 г.
