Научная статья на тему 'Возможности локальных радионавигационных систем для наземных робототехнических комплексов'

Возможности локальных радионавигационных систем для наземных робототехнических комплексов Текст научной статьи по специальности «Электротехника, электронная техника, информационные технологии»

CC BY
1172
241
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.
Ключевые слова
ЛОКАЛЬНАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ СИСТЕМА / НАЗЕМНЫЙ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИЙ КОМПЛЕКС / ГЛОБАЛЬНАЯ НАВИГАЦИОННАЯ СПУТНИКОВАЯ СИСТЕМА / АППАРАТУРА ПОТРЕБИТЕЛЕЙ / НАЗЕМНАЯ ОПОРНАЯ РАДИОНАВИГАЦИОННАЯ ТОЧКА / ПСЕВДОСПУТНИК / РЕТРАНСЛЯТОР СИГНАЛОВ НАВИГАЦИОННЫХ СПУТНИКОВ / LOCAL NAVIGATION SVSTEM / GROUND ROBOTIC SVSTEM / GLOBAL NAVIGATION SATELLITE SVSTEM / GNSS RECEIVER / GROUND-BASED RADIO NAVIGATION REFERENCE POINT / PSEUDOLITE / REPEATER GNSS SIGNALS

Аннотация научной статьи по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям, автор научной работы — Пудловский Владимир Борисович

Представлен анализ потенциальных возможностей локальных радионавигационных систем на основе псевдоспутников или наземных ретрансляторов сигналов навигационных спутников в интересах навигации наземных робототехнических комплексов на открытой местности и в условиях затенения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

Похожие темы научных работ по электротехнике, электронной технике, информационным технологиям , автор научной работы — Пудловский Владимир Борисович

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.
i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.

POSSIBILITY OF LOCAL RADIO NAVIGATION SYSTEMS FOR LAND-BASED ROBOTIC SYSTEMS

The analvsis of the potential of local navigation svstem based pseudolites or terrestrial repeaters signals of navigation satellites for navigation ground-based robotic svstems i n open areas and i n the conditi ons of shadi ng si gnal s of gl obal navi gati on satel l i te svstems

Текст научной работы на тему «Возможности локальных радионавигационных систем для наземных робототехнических комплексов»

Sholokhov Alexey Viktorovich, doctor of technical science, professor, head of cathedra, naviserp5@,iifmail.ru, Russia, Serpukhov, VA RVSN branch of Peter the Great,

Lapshina Anna Alexandrina, engineer, naviserp5@,iifmail.ru, Russia, Serpukhov, Institute of Engineering Physics

УДК 621.396

ВОЗМОЖНОСТИ ЛОКАЛЬНЫХ РАДИОНАВИГАЦИОННЫХ

СИСТЕМ ДЛЯ НАЗЕМНЫХ РОБОТОТЕХНИЧЕСКИХ

КОМПЛЕКСОВ

В.Б. Пудловский

Представлен анализ потенциальных возможностей локальных радионавигационных систем на основе псевдоспутников или наземных ретрансляторов сигналов навигационных спутников в интересах навигации наземных робототехнических комплексов на открытой местности и в условиях затенения сигналов глобальных навигационных спутниковых систем.

Ключевые слова: локальная радионавигационная система, наземный робото-технический комплекс, глобальная навигационная спутниковая система, аппаратура потребителей, наземная опорная радионавигационная точка, псевдоспутник, ретранслятор сигналов навигационных спутников.

К системам навигации наземных робототехнических комплексов (НРТК) в настоящее время предъявляются высокие требования по точности, надежности работы и независимости качества функционирования от условий приема сигналов глобальных навигационных спутниковых систем (ГНСС). Как правило, навигационные комплексы большинства отечественных НРТК построены на базе массовых (коммерческих) образцов навигационной аппаратуры потребителей (АП) ГНСС. В ряде применений НРТК требование к надежности навигационного обеспечения (НО) НРТК выдвигается на первый план. Однако массовая АП ГНСС обладает низкой помехоустойчивостью (особенно к организованным помехам), а также имеет неприемлемый уровень ошибок и ухудшение качества навигации в сложных условиях (на пересеченной местности или в условиях городской застройки). В качестве одного из возможных решений указанных проблем в отечественной и зарубежной литературе рассматривают локальные РНС (ЛРНС), т.е. системы наземных опорных радионавигационных точек (НОРТ), формирующих дополнительное радионавигационное поле, позволяющее улучшить качество НО в рабочей зоне АП [1, 2, 3].

38

Одним из вариантов НОРТ для таких ЛРНС могут быть псевдоспутники (ПС) [1] и ретрансляторы сигналов НКА (РСН) [2]. Такие НОРТ позволяют осуществлять НО в локальном районе как совместно с сигналами ГНСС, так и при их отсутствии.

В статье - анализируются потенциальные возможности локальных радионавигационных систем на основе псевдоспутников или наземных ретрансляторов сигналов навигационных спутников в интересах навигации НРТК на открытой местности и в условиях затенения сигналов ГНСС.

Для местоопределения роботов ПС чаще используют внутри закрытых помещений [4, 5]. Примеров практической реализации ЛРНС на базе РСН обнаружить не удалось.

Как отмечено в [3], основные преимущества ЛРНС по сравнению с ГНСС состоят в следующем:

- относительно малое удаление АП ЛРНС от НОРТ позволяет обеспечить в зоне приема относительно высокую (по сравнению с сигналами НКА) мощность сигналов НОРТ, что существенно затрудняет возможность их подавления, а также уменьшает шумовые составляющие ошибок навигационных измерений;

- координаты стационарных НОРТ могут быть определены с высокой точностью как в относительной, так и в глобальных системах координат и не содержат погрешностей, связанных с нестабильностью вращения Земли, неравномерностью гравитационного поля Земли и др.;

- при совместной обработке в АП сигналов НКА и НОРТ могут быть реализованы различные варианты дифференциальной коррекции положения потребителя;

- НОРТ могут быть использованы для создания ложных навигационных полей.

При оценке потенциальных характеристик НО в ЛРНС следует учитывать следующие особенности НРТК:

- перемещение НРТК, как правило, в горизонтальной плоскости;

- относительно низкая линейная скорость перемещения и относительно высокая динамика поворотов (углового перемещения);

- потенциально высокая вероятность затенения сигналов НКА и

НОРТ;

- относительно низкое расположение антенн АП для приема сигналов ЛРНС, не более 10 м;

- сложности обеспечения электромагнитной совместимости для аппаратуры связи и радионавигации в составе НРТК.

Очевидно, что АП на борту НРТК может функционировать в различных режимах:

- в штатном, использующем исключительно сигналы НКА;

- в локальном, использующем исключительно сигналы НОРТ;

- в комбинированном, предусматривающем совместную обработку этих сигналов.

Следовательно, для оценки качества НО для АП, работающей по сигналам разных систем, необходим универсальный критерий. Известно, что для ГНСС основным критерием при выборе конфигурации и состава орбитальных группировок НКА выбрано предельное (минимальное) значение геометрического фактора (ГФ) [6], соответствующее некоторому рабочему созвездию НКА, потенциально наблюдаемых в АП на максимальной по площади территории.

По аналогии критерием оптимизации сети НОРТ в ЛРНС могут служить:

- максимизация площади рабочей зоны при заданном количестве НОРТ, внутри которой значение ГФ не превышает заданного;

- минимизация для заданной площади рабочей зоны количества НОРТ в сети для обеспечения во всех точках зоны значения ГФ, не превышающего заданное.

Однако для полной оценки качества НО одного значения ГФ недостаточно. Необходим обобщенный параметр, характеризующий погрешности измерения навигационного параметра (дальности или псевдодальности) в АП. Известно, что потенциальная погрешность радиотехнических измерителей определяется, в первую очередь, отношением мощности полезных сигналов к суммарной мощности шумов на входе приемника. Необходимо отметить, что при обработке сигналов от одной из НОРТ (или НКА) сигналы других следует рассматривать в качестве внешних помех. Отсюда следует еще один критерий качества НО в ЛРНС: обеспечение необходимого для работы схем слежения в АП отношения мощности сигналов НОРТ и/или НКА к суммарной мощности внешних помех и внутренних шумов (Рс/ И0) в приемнике, расположенном в любой точке рабочей зоны.

На заключительных этапах технического проектирования ЛРНС появляется возможность оценки удельной стоимости рабочей зоны каждого варианта сети НОРТ как отношения стоимости организации вещания дополнительных радионавигационных сигналов (в основном стоимость технических средств и программного обеспечения для сети НОРТ) к площади рабочей зоны варианта ЛРНС.

Таким образом, далее в качестве потенциального показателя качества НО в ЛРНС будет использована следующая характеристика: процент рабочей зоны для АП относительно площади потенциальной радиовидимости минимально необходимого количества НОРТ (ПС или РСН) для наземных потребителей (НРТК). При этом рабочая зона АП в ЛРНС опреде-

40

ляется как с учетом обеспечения заданного значения ГФ, так и с учетом взаимного влияния сигналов НОРТ на их совместный прием и на прием сигналов НКА в АП (при совместном использовании сигналов НОРТ и НКА).

Исходя из требования совместимости и дополнения структуры ГНСС сигналами НОРТ для ЛРНС можно сформулировать следующие принципы:

- сетевое построение на основе НКА и наземных стационарных передатчиков;

- пассивный позиционный способ навигационных определений в приемной АП на основе беззапросных измерений задержки до НОРТ и НКА;

- общие методы навигационных определений в ЛРНС и ГНСС;

- известные потребителю точные пространственные координаты НОРТ и моменты излучения радионавигационных сигналов НОРТ;

- общие диапазоны частот и структура радионавигационных сигналов в ЛРНС и ГНСС.

Для работы в ЛРНС аппаратура ПС должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- возможность разделения сигналов ПС в сети, а также с сигналами НКА при необходимости;

- обеспечение синхронизации сигналов ПС, в т.ч. способами отличными от ГНСС;

- обеспечение привязки и контроля положения фазовых центров передающих антенн ПС в выбранной системе координат с высокой точностью.

Для работы в ЛРНС аппаратура РСН должна удовлетворять следующим основным требованиям:

- обязательный прием сигналов хотя бы одного НКА каждым ретранслятором;

- работа в режиме ретрансляции заданных сигналов ГНСС, например широкополосная ретрансляция (прием, перенос по частоте, усиление и переизлучение) СТ-сигналов ГНСС ГЛОНАСС диапазона Ь1 с номерами литер от минус 7 до плюс 6;

- формирование специального пилот-сигнала с модуляцией фазы несущей частоты дальномерным сигналом;

- антенное устройство для передачи ретранслированных сигналов ГНСС должно обеспечивать их излучение совместно с пилот-сигналом с минимальным взаимным влиянием;

- излучение сигналов РСН не должно нарушать прием сигналов ГНСС как в приемниках ретрансляторов, так и в АП;

- для сети РСН должны выполняться требования взаимной совместимости и разделения сигналов от разных ретрансляторов.

41

Известно, что основными методами навигационных определений потребителей по сигналам НКА в настоящее время являются псевдодаль-номерный (ПДМ) и псевдодоплеровский методы [6] для определения пространственных координат и составляющих вектора скорости. Под псевдодальностью от НКА до АП понимают измеренную в свободном пространстве дальность Д до этого НКА, отличающуюся от истинной дальности Я1 на неизвестную, но постоянную за время определения навигационных параметров величину 8Я, характеризующую смещение часов АП от шкалы времени ГНСС [6].

Как правило, для совместного использования в АП сигналов ГНСС и ЛРНС параметры сигналов ПС также выбирают с учетом возможной реализации этих же методов. Дополнительно для АП в ЛРНС на базе стационарных НОРТ целесообразно рассмотреть возможности дальномерных методов (ДМ) определения координат.

Аналогично ПС и сеть РСН позволяет использовать ПДМ в АП для решения задач НО, в том числе только по ретранслированным сигналам. Методы НО по сигналам НКА и РСН подробно изложены в [2].

Исходя из требования совместимости сигналов для расчетов рабочих зон ЛРНС далее будут рассмотрены пассивные (беззапросные) измерения в АП псевдодальностей (дальностей) по сигналам НОРТ и НКА.

Следовательно, пространственные координаты потребителя ХЛ, У Л, 2 Л могут быть получены в АП с помощью ПДМ и ДМ, а также дополнены информацией об известной высоте НРТК. Выражения для навигационных функций ПДМ и ДМ известны и представлены, в частности, в [2, 6].

Наиболее актуальным представляется случай оценки рабочей зоны ЛРНС только по сигналам нескольких наземных НОРТ. Известно, что при условии синхронизации шкалы времени бортовой АП для определения положения АП в пространстве достаточно трех НОРТ (ДМ), если точное время на борту не известно, необходимо четыре НОРТ (ПДМ). Известная высота НРТК позволяет заменить одну из необходимых НОРТ при расчете координат в плоскости.

Для оценки потенциальной точности используем традиционный для радионавигации метод расчета ГФ для соответствующего метода определения координат [2, 6]. Для ПДМ, используемого в настоящее время в АП ГНСС, значения ГФ могут быть записаны в виде следующего выражения [6]:

ОБОР = °НВО = (нГ НI-1 = (ИООР )2 + (УБОР )2 БНП

0,5

где Н - матрица градиентов измерений соответствующего метода; Бнво , БНП - дисперсии погрешностей НО и измерения навигационного параметра, например псевдодальности, соответственно; НБОР, УБОР - значения ГФ для горизонтальной и вертикальной составляющих погрешности определения координат соответственно.

Матрицы градиентов для ПДМ и ДМ имеют следующий вид [2, 6]:

Н

ПДМ

а

р1

Ь

р1

а

Р 2

а

Р3

а

Ь Ь Ь

Р2

Р 3

Н

ДМ

а,

а,,

а.

¿1

Ь2 Ь

£1 £ 2 £ з

£р1 £ р 2 £р3

*р 4 Ьр 4 £р 4

где а{ Ь1 - направляющие косинусы линии визирования от АП до НКА и/или НОРТ.

Результаты моделирования погрешности определения координат в плоскости следует считать потенциальной оценкой, т.к. не учитывались погрешности измерения задержки от НОРТ на приземных трассах (вдоль земной поверхности и с малыми углами прихода сигналов относительно горизонта). Погрешности измерения задержки в радиодиапазоне между пунктами на земной поверхности обычно не лучше единиц нс. Основные причины: влияние подстилающей поверхности и флюктуации индекса тропосферной рефракции.

На рис. 1 и 2 представлены результаты расчета значений горизонтальной и вертикальной составляющих ГФ для ПДМ только по сигналам четырех ПС. Соответствующее значение ГФ показано на изолинии в горизонтальной проекции для заданной высоты потребителя от земной поверхности для области размерами 60х60 км. Высота антенн ПС (с учетом рельефа): 10; 30; 10; 30 м; высота приемной антенны АП 10 м.

На рис. 1 в центре точками отмечено взаимное положение ПС в углах квадрата с размером базы между НОРТ 13 км, а на рис. 2 показано расположение ПС «звездой» (размер базы между внешними НОРТ 15,6 км).

2.5 2 1.5 1

0.5 У, т 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

х 10

X, т

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

2.5 2 1.5 1

0.5

У, т 0 -0.5 -1 -1.5 -2 -2.5

-2.5 -2 -1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5 2 2.5

х 10

X, т

Рис. 1. Значения ГФ для ПДМ по сигналам четырех наземных ПС

х 10

х 10

Рис. 2. Значения ГФ для ПДМ по сигналам четырех наземных ПС

Использование ДМ в бортовой АП повышает точность потенциальной оценки координат в ЛРНС по сравнению с ПДМ. Результаты расчета значений горизонтальной составляющей ГФ для ДМ при тех же конфигурациях сети четырех ПС представлены на рис. 3.

Рис. 3. Значения ГФ для ДМ по сигналам четырех наземных ПС

Из расчетов ГФ следует, что увеличение высоты расположения НОРТ практически не влияет на площадь рабочей зоны сети ПС (по критерию минимальной погрешности определения плановых координат).

Учет информации о высоте потенциально позволяет использовать в АП и ДМ, и ПДМ даже для линейного расположения всех четырех ПС в линию (через 9 км), как показано на рис. 4, а - для ДМ; на рис. 4, б - для ПДМ. Однако зона потенциально высокой точности определения плановых координат для ДМ значительно больше.

44

Рис. 4. Значения ГФ с учетом известной высоты АП для линейного расположения четырех наземных ПС

Для наземной АП, работающей по сигналам только наземной сети ПС, установлено, что высота НРТК не может определяться с высокой точностью при любой конфигурации сети НОРТ; использование ПДМ целесообразно только для определения горизонтальных (плановых) координат внутри зоны, образуемой многоугольником с вершинами, в которых расположены антенны НОРТ.

Условие прямой радиовидимости сигналов НОРТ не является единственным ограничением на размеры рабочей зоны ЛРНС. Конфигурация рабочей зоны ЛРНС на основе НОРТ также будет определяться условиями совместного приема и обработки в АП сигналов НОРТ и/или НКА в общем или разных диапазонах частот. Например, рабочая зона ЛРНС из трех РСН для однодиапазонной АП зависит от условий приема сигналов НКА и всех РСН в общем диапазоне Ь1, а для двухдиапазонной АП (прием сигналов НКА в диапазоне Ь2) - от условий совместного приема только сигналов РСН.

Далее представлены результаты моделирования рабочих зон ЛНРС на основе четырех НОРТ (ПС или РСН). При расчетах зон были учтены условия совместной радиовидимости НОРТ, а также взаимное влияние сигналов НОРТ на их прием и на прием сигналов НКА в АП. Для расчетов условий приема (Рс/Ы0) использовались известные соотношения [2, 6].

Для оценки показателя качества НО в ЛРНС выбрана потенциальная зона радиовидимости НОРТ, учитывающая только кривизну Земли и высоты антенн АП и НОРТ. Для сравнения с ранее полученными оценками ГФ более подробно представлены результаты конфигурации сети НОРТ типа «квадрат». Высоты антенн НОРТ и АП такие же, как и при расчетах ГФ. Задано предельное значение ГФ в плане 3,5.

45

В расчетах условий приема сигналов НОРТ использованы следующие основные исходные данные: диапазон излучаемых сигналов НОРТ 1,6 ГГц; полоса сигналов переизлучаемых аппаратурой РСН (излучаемых ПС) 15 МГц; уровень сигналов НКА на входе приемников РСН и АП минус 160 дБВт; отношение сигнал/шум для работы схем слежения АП Pc/ N0= 30 и 32 дБГц; коэффициент шума приемников РСН и АП 1,5 дБ.

Мощности излучаемых ПС (или РСН) сигналов, а также диапазоны частот для приема сигналов НОРТ и НКА (общий или разные) варьировались.

На рис. 5 показаны рабочие зоны ЛРНС для мощности излучения ПС 2,0 мВт и 5 Вт (рис. 5, а) и 5, б соответственно).

1.5

х 10

0.5

-0.5

5 -1

-0.5

0.5

1 15

4

х 104

1.5

х 10

0.5

У 0

-0.5

-1

-1.5

-1.5

-1 -0.5

0.5

1.5

х 10

а

б

У

0

0

0

Рис. 5. Рабочая зона сети из четырех ПС

Из рис. 5 видно, что увеличение мощности излучения ПС более чем на 30 дБ несущественно влияет на изменение рабочей зоны наземной АП (79 и 77 % зоны радиовидимости).

На рис. 6 показана рабочая зона сети из 4 РСН и одного НКА для следующих условий: разные диапазоны сигналов РСН и НКА; Pc/ N0= 32 дБГц при мощности излучения РСН 2,0 мВт и Pc/ N0= 30 дБГц при мощности излучения Р 5 Вт (рис. 6, а и 6, б соответственно).

По результатам расчетов установлено, что для расширения рабочей зоны АП в данной ЛРНС более эффективно снижение Pc/ N0 до 30 дБГц (с 5 до 20 % зоны радиовидимости), чем увеличение мощности передатчика РСН до 5 Вт.

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

-1.5'-■-^-'-^

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

а

б

Рис. 6. Рабочая зона сети из четырех РСН и одного НКА

Сравнение результатов расчетов, представленных на рис. 5 и 6, показывает более высокую эффективность использования ПС по сравнению с РСН для данной конфигурации расположения НОРТ.

С целью оценки влияния особенностей рельефа на размеры рабочей зоны ЛРНС были проведены расчеты и для других конфигураций НОРТ на местности. Известно, что в условиях сильнопересеченной местности нарушаются условия радиовидимости НКА, например при расположении АП на дне ущелий, оврагов, каньонов и т.п. На рис. 7 представлены результаты моделирования НО для местности типа «дно широкого каньона». Высоты установки антенн НОРТ заданы как 40, 60, 40, 60 м, что моделировало расположение передатчиков на границе каньона. Принято, что на дне каньона обеспечен прием хотя бы одного НКА и всех четырех НОРТ. Также задана ширина зоны радиовидимости (размер между границами каньона по ширине) 1,3 км.

Для данного варианта конфигурации сети НОРТ установлено, что использование четырех РСН практически невозможно при любом уровне мощности ретранслированных сигналов из-за сложности обеспечения минимального отношения «сигнал/шум» для работы АП. Для этой же конфигурации ПС определено значение мощности, оптимальное по критерию максимальной площади рабочей зоны (46 %) около 1 мкВт, как показано на рис. 7, а. При этом размер рабочей зоны ограничен в основном максимальным значением ГФ (менее 3,5) в плане. Снижение мощности ПС до 0,1 мкВт или увеличение до 0,1 мВт снижает размер рабочей зоны (19, 41 % на рис. 7, б и в соответственно).

Анализ представленных и других результатов расчетов показывает, что размеры рабочей зоны ЛНРС при приеме сигналов НКА и НОРТ (как РСН, так и ПС) в общей полосе частот определяются мощностью излучения НОРТ в относительно узком диапазоне значений.

х 10

х 10

1.5

1.5

0.5

У 0

У 0

0.5

-1

х 10

х 10

а б в

Рис. 7. Рабочая зона сети из четырех ПС и одного НКА

Одним из решений данной проблемы является применение в АП разных антенн: антенных компенсаторов помех (АКП) в тракте приема сигналов НКА и отдельной слабонаправленной антенны для приема сигналов НОРТ. Возможности подавления помеховых сигналов в современных АКП (не менее 40 дБ [6]) позволят принимать и обрабатывать слабые сигналы НКА на фоне мощных сигналов НОРТ, в том числе и в общем диапазоне частот.

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

-1.5 -1 -0.5 0 0.5 1 1.5

а " б

Рис. 8. Рабочая зона сети из четырех НОРТ и одного НКА с АКП в АП

X 10

X 10

1.5

1.5

0.5

0.5

У 0

У 0

-0.5

-0.5

-1

-1.5

X 10

X 10

Сравнительный эффект использования дополнительного НКА (прием сигналов НКА и ПС в общем диапазоне) для наземной сети из 4 ПС или РСН представлен на рис. 8, а - для РСН, 8, б - для ПС соответственно. Представленная конфигурация рабочей зоны практически не меняется при мощности излучения НОРТ от 0,007 до 5 Вт.

Применение АКП в АП фактически эквивалентно приему сигналов НКА и НОРТ в разных диапазонах частот. Это позволяет повысить качество НО до 41 % зоны радиовидимости для ЛРНС на базе ПС в большом диапазоне мощностей излучения по сравнению с АП без АКП (10 % зоны

iНе можете найти то, что вам нужно? Попробуйте сервис подбора литературы.

радиовидимости при мощности передатчика 5 мВт). Однако общая помехоустойчивость АП при работе по сигналам НКА и НОРТ будет определяться возможностью приема сигналов ГНСС, для повышения помехоустойчивости приема которых использование АКП не имеет альтернативы.

На рис. 9 приведен вариант структурной схемы АП с АКП для случая, когда сигналы ПС должны излучаться в одном из диапазонов частот ГНСС и при этом значительно превосходить по мощности сигналы НКА. В данном варианте необходимую развязку трактов приема сигналов НКА и ПС обеспечивает АКП в тракте обработки сигналов НКА. При этом дополнительная антенна для приема сигналов ПС может быть простейшей (штыревого типа) и оптимизирована на прием сигналов с малыми углами прихода.

Рис. 9. Структурная схема АП: НКА - навигационный космический аппарат; АКП - антенный компенсатор помех; ААР - активная антенная решетка; АЦП -аналого-цифровой преобразователь; БЦОС - блок цифровой обработки; БВ - блок визуализации; ПС - псевдоспутник; МШУ - малошумящий усилитель; ГН - преобразователь частоты; УГН - усилитель промежуточной частоты; Г - генератор опорного сигнала; АРУ - автоматическая регулировка усиления

При разработке АП для совместного приема сигналов ГНСС и сети наземных ПС целесообразно учитывать следующие принципы построения:

- общие принципы обработки сигналов НКА и ПС;

- общие методы решения навигационно-временной задачи;

- раздельные (как правило) антенные устройства и радиотракты приема сигналов НКА и ПС;

- общие опорные генераторы и синтезаторы частот для обработки сигналов НКА и ПС;

- АРУ в тракте приема сигналов ПС.

Анализ результатов моделирования потенциальных рабочих зон ЛРНС позволил сделать следующие выводы.

Определение высоты с высокой точностью только сигналами наземных ПС или РСН невозможно. Необходимо использование информации о высоте НРТК и/или сигналов хотя бы одного НКА.

Для наземных сетей из трех и более НОРТ любого типа (и ПС, и РСН) более рациональным является такое их относительное положение, которое обеспечивает максимальную зону взаимной радиовидимости и минимальное значение ГФ в горизонте, например, в вершинах равностороннего треугольника, квадрата и т.п.

Для наземных сетей из трех и более НОРТ любого типа (и ПС, и РСН) погрешность определения плановых координат (ГФ в горизонте) в основном определяется взаимным расположением наземных НОРТ в зоне совместной радиовидимости и мало зависит от положения и количества НКА за исключением линейного расположения НОРТ.

Линейное расположение НОРТ следует признать нецелесообразным без использования дополнительной информации о высоте в АП.

Рабочие зоны ЛРНС с НОРТ определяются не только геометрией взаимного расположения, но и сильно зависят от уровня взаимных помех при приеме сигналов ПС или РСН. Для большинства потенциальных применений ПС и РСН более эффективно использование разных диапазонов частот для приема сигналов НКА и НОРТ.

Для приема сигналов НКА в одной полосе частот с сигналами НОРТ целесообразно применять антенные компенсаторы помех, а для приема сигналов НОРТ - слабонаправленные антенны (типа вибраторов). В этом случае потенциальная помехоустойчивость навигации в ЛРНС будет зависеть только от уровня взаимных помех мощных сигналов НОРТ.

Основными проблемами использования сетей ПС являются обеспечение взаимной синхронизации их дальномерных сигналов и погрешности в измерении задержки распространения за счет многолучевости и тропо-

сферной рефракции. Для ПС, передающих сигналы в общем диапазоне с сигналами НКА, также необходимо решать проблему приема слабых сигналов НКА совместно с мощными сигналами ПС (проблема «далеко -близко»).

К преимуществам использования ПС можно отнести: отсутствие жесткой необходимости приема сигналов НКА; более узкую (в сравнении с РСН) полосу излучаемых сигналов и возможность использовать простые методы разделения сигналов ПС; возможность увеличения отношения «сигнал/шум» за счет увеличения мощности передатчика ПС.

Основными проблемами использования сетей РСН являются потери в отношении «сигнал/шум» для сигналов НКА в процессе ретрансляции (за счет переизлучения шумов со входа РСН), неэффективное использование полосы частот при ретрансляции сигналов ГЛОНАСС с частотным разделением, что требует широкой полосы излучения РСН и затрудняет разделение сигналов РСН в АП, необходимость использования пилот-сигналов в ряде схем широкополосной ретрансляции.

К преимуществам использования ретрансляторов сигналов НКА можно отнести отсутствие необходимости взаимной синхронизации переизлучаемых сигналов; возможность не выделять цифровую информацию из переизлучаемых сигналов при приеме прямых сигналов НКА, что позволяет реализовать некогерентный режим работы по этим сигналам в АП для повышения помехоустойчивости; возможность автономной привязки в АП координат РСН и шкалы времени пилот-сигнала при переизлучении сигналов более 4 НКА, что позволяет использовать пилот-сигнал РСН в качестве ПС.

В настоящее время вопросы метрологического обеспечения АП ГНСС отработаны достаточно полно. Однако опыт метрологического обеспечения АП ГНСС и средства измерений для проведения ее поверок не могут быть использованы как для ЛРНС в целом, так и для АП, работающей по сигналам НОРТ. Необходимо предусмотреть разработку специальных методик испытаний НРТК и специальных средств измерений в процессе разработки и внедрения как ЛРНС, так самих НРТК.

На основании изложенного можно сделать следующие выводы: псевдоспутники потенциально позволяют улучшить точность и надежность навигации наземных роботов только при совместном использовании с сигналами НКА ГНСС;

погрешность определения плановых координат в АП НРТК в ЛРНС определяется взаимным расположением НОРТ (ГФ в плоскости горизонта) в зоне совместной радиовидимости;

определение высоты наземных роботов с требуемой точностью только по сигналам наземной сети ПС (или РСН) практически невозможно. Необходимо привлечение сигналов НКА.

Список литературы

1. Jeremiah A. Shocklty. Estimation and mitigation of unmodeled errors for pseudolite based reference system: Master's Thesis. 2006, 137 p. [Электронный ресурс] URL: http://www.dtic.mil/get-tr-doc/pdf?AD=ADA450147 (дата обращения: 20.03.2016).

2. Пудловский В.Б. Методы и алгоритмы навигационных определений с использованием ретранслированных сигналов спутниковых радионавигационных систем: дис. ... канд. техн. наук, М., 2009. 237 с.

3. Водяных А. А. Перспективные направления развития навигационных технологий и оборудования ГП «Оризон-Навигация» [Электронный ресурс] URL: http://avia.nau.edu.ua/doc/2011/8/8 8.pdf (дата обращения: 20.03.2016).

4. Indoor Navigation [Электронный ресурс] URL: http://gps.snu.ac.kr/bbs/board.php?bo table=sub2 2&sca=english (20.03.2016).

5. Navigation and Control of Miniature Vehicle using Indoor GPS [Электронный ресурс] URL: https://www.youtube.com/watch? v=EBTh4 abZCjg (дата обращения: 20.03.2016).

6. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / под ред. А.И.Перова, В.Н.Харисова. М.: Радиотехника, 2010.

Пудловский Владимир Борисович, канд. техн. наук, ст. научный сотрудник, pudlovskiy@vmiftri.ru, Россия, Московская область, Менделеево, «Всероссийский научно-исследовательский институт физико-технических и радиотехнических измерений»

POSSIBILITY OF LOCAL RADIO NA VIGA TION SYSTEMS FOR LAND-BASED ROBOTIC SYSTEMS

V.B. Pudlovsky

The analysis of the potential of local navigation system based pseudolites or terrestrial repeaters signals of navigation satellites for navigation ground-based robotic systems in open areas and in the conditions of shading signals of global navigation satellite systems

Key words: local navigation system, ground robotic system, global navigation satellite system, GNSS receiver, ground-based radio navigation reference point, pseudolite, repeater GNSS signals

Pudlovsky Vladimir Borisovch, candidate of technical sciences, senior researcher, pudlovskiy@yniiftri.ru, Russia, Moscow region, Mendeleevo, Russian Metrological Institute of Technical Physics and Radio Engineering

i Надоели баннеры? Вы всегда можете отключить рекламу.