Исследование методов калибровки приемников

Основные технические характеристики:

1) дифференциальная кодовая GPS-съемка:

- в плане 0,25 м;

- по высоте 0,5м;

2) высокоточная статика:

- в плане  3 мм;

- по высоте  3,5 мм;

3) статика и быстрая статика:

- в плане  3 мм;

- по высоте 5 мм;

4) кинематическая съемка в реальном времени от одиночной базы не далее 30 км:

- в плане  8 мм;

- по высоте 15 мм.

Для получения заявленных характеристик рекомендуется устойчиво устанавливать прибор  в местах с открытым небосводом, свободных от электромагнитных помех и переотражений сигналов, проводить наблюдения  при оптимальной геометрии спутникового созвездия, следовать общепринятым правилам проведения высокоточных геодезических измерений, устанавливая продолжительность наблюдений в зависимости от длины базовой линии. Для  получения высокой точности измерений в статическом режиме на базовых линиях более 30 км необходимо использовать  точные эфемериды и длительные сеансы наблюдений (до 24-х часов).[13]

2.2.3 Приемник Leica VIVA GS12 от Leica Geosystems

Leica Geosystems – современное название знаменитой компании, которая с 1920-х годов специализируется на оптических геодезических инструментах. Исходное имя компании было WILD, штаб квартира располагалась в городе Хербург, Швейцария. Компания Leica/Wild включила GPS-приемникив спектр выпускаемого оборудования в конце 1980-х, когда совместно с корпорацией Magnavox Corporation был изготовлен приемник Wild WM101.

Наиболее функциональным GNSS-приемником от Leica Geosystems является приемник Leica VIVA GS12 рисунок 3.

Рисунок 3 - Приемник Leica VIVA GS12

Leica Viva GNSS VIVA GS12 обеспечивает  широкий выполнение широкого  спектра задач: от съемки с  помощью передвижного GNSS-приемника  до GNSS-решения, интегрированного с Viva Total Station (Viva SmartPole или Viva SmartStation).

В приемнике реализованы следующие новейшие технологии:

- SmartCheck – RTK-технология, позволяющая контролировать точность и качество результатов измерений;

- SmartTrack – современная технология приема сигналов всех спутниковых систем, настоящих и будущих;

- SmartRTK – стабильная работа в любой сети базовых станций.

Приемник совместим со следующими спутниковыми системами: GPS: L1, L2, L2C, L5 (C/A, P, C Code) GLONASS: L1, L2 (СТ, ВТ); Galileo (Test): GIOVE-A, GIOVE -B; Galileo: E1, E5a, E5b, Alt-BOC; Compass; SBAS: WAAS, EGNOS, GAGAN, MSAS.

Точность измерений:

1) точность измерений (СКО) в постобработке:

- статика в плане:3  мм;

- статика по высоте:6  мм;

- кинематика в плане:5  мм;

- кинематика по высоте:10  мм;

2) точность измерений (СКО) в реальном времени:

- статика в плане 5  мм;

- статика по высоте10  мм;

- кинематика в плане:10  мм;

- кинематика по высоте:20  мм.

Реализованы многие функции, повышающие удобство работы с прибором. Пользователь может в полевых условиях менять съемные устройства связи, необходимые для работы на базовой станции и передвижном приемнике в режиме RTK. Существует возможность полной модернизации приемника. Интегрированный Web-сервер для настройки записи данных в форматах Leica или RINEX позволяет производить полевые измерения без дополнительных операций записи данных. [16]

2.2.4 Приемник TRIUMPH компания JavadPositioningSystems

Компания JavadPositioningSystems (JPS) была основана известным специалистом в области спутниковых систем доктором Джавадом Ашджаи (Dr. Javad Ashjaee).  Штаб квартиры компании находились в Сан-Хосе (Калифорния, США) и в Москве (Россия). JPS имеет одну из самых сильных команд разработчиков GPS аппаратуры в мире.

Новейшим продуктом компании Javad GNSS является ГНСС-комплекс TRIUMPH-VS представленный на рисунке 4, совмещающий в себе всечастотную высокоточную спутниковую антенну, мощный 216-ти канальный многосистемный приемник с частотой обновления данных до 100 Гц, обеспечивающий точность до 3 мм, и многофункциональный контроллер с активным цветным дисплеем.

Рисунок 4 - Комплекс TRIUMPH-VS

Программное обеспечение прибора позволяет с легкостью настраивать его на разные виды работ, загружать обновления с сайта компании JAVAD GNSS, получать техническую поддержку онлайн. При работе в режиме “Lift & Tilt” (Держи & Наклоняй) TRIUMPH-VS начнет запись файла автоматически, когда прибор будет установлен вертикально. Чтобы остановить запись и закрыть файл, достаточно просто наклонить прибор.

Приемник работает со спутниковыми системами GPS L1/L2/L2C/L5, Galileo E1/E5A/E5B, AltBOC, ГЛОНАСС L1/L2/L3, COMPASS L1/E5B, QZSS SBAS.

Точность измерений:

1) автономная точность <2 м;

2) статика, быстрая статика:

- по горизонтали 0.3 см;

- по вертикали: 0.5 см;

3) кинематика:

- по горизонтали 1 см;

- по вертикали: 1.5 см.

Этот комплекс снабжен также дополнительными устройствами, такими как встроенный контроллер и ПО, компас и уклономеры. Он поддерживает функции Ethernet,  WiFi 802.11b и Bluetooth, что делает работу с ним ещё более комфортной для пользователя. [17]

 

 

 

 

 

2.3 Структурная схема приемника

Как видно из написанного выше, требования предъявляемые к современным приемникам достаточно высоки. Каждая из компаний реализует свой способ построения приемника, но их принципы построения аналогичны. Современная навигационная аппаратура потребителей (НАП) является аналого-цифровой системой, сочетающей аналоговую и цифровую обработку сигналов. В общем случае НАП состоит из навигационных приемников и устройств обработки, предназначенных для приема навигационных сигналов от навигационных космических аппаратов (НКА) и вычисления собственных координат, скорости и времени. Обобщенная структура входного тракта с прямым преобразованием частоты представлена на рисунке 5. [3]

Рисунок 5 - Обобщенная структура входного тракта с прямым преобразованием частоты

Антенна выполняет функцию преобразования электромагнитных волн в электрический сигнал и может состоять из одного или нескольких антенных элементов с необходимыми блоками электронного управления. Полосовой фильтр (ПФ) нужен для частотной селекции (фильтрации) полезных сигналов из смеси с шумами и помехами. Малошумящий усилитель (МШУ) предназначен для усиления очень слабых сигналов, поступающих на вход тракта от НКА. Смеситель (СМ) понижает несущую частоту принятых сигналов до заданного значения, которое принято называть промежуточной частотой. Частота гетеродина (fгет) поступает на смеситель от синтезатора частот, который формирует набор гармонических колебаний, необходимых для работы приемника. Фильтр нижних частот (ФНЧ), стоящий после смесителя, предназначен для подавления сигнальных составляющих суммарной частоты, образующихся на выходе смесителя. Далее сигнал поступает на аналого-цифровой преобразователь (АЦП) для оцифровки сигнала и последующей его обработки в цифровом вычислителе. Сложной задачей при разработке радиочастотного блока является проектирование входного тракта, состоящего из высокочастотного приемника и синтезатора частоты. [3]

Во всех вариантах приемника сигналов спутниковых навигационных систем аппаратная аналоговая часть реализована по схеме прямого преобразования частоты.

Рассмотрим погрешности возникающие в схеме на рисунке 5:

1) температурная. Температура окружающей среды влияет на все радиоэлементы приемника, однако более всего этому влиянию подвержены фильтры приемника. При изменении температуры полоса пропускания фильтра меняет свои значения, тем самым изменяется затухание полезного сигнала;

2) межканальная. Межканальная погрешность связана с разницей времени прохождения сигнала между каналами приемника, то есть один и тот же сигнал будет иметь разное время задержки в каналах приемника;

3) частотная. Частотная погрешность возникает в связи с неравномерности группового время запаздывания (ГВЗ) в фильтрах приемника;

4) нестабильность частоты  опорного генератора – уход  частоты генератора от заданной.

 

 

 

3 Методы устранения погрешностей

3.1 Температурная погрешность

Значемое влияние на время апаратной задержки влияет температура окружающей среды. Все радиотехнические элементы подвержены влиянию окружающей температуры, особое влияние оказывается на фильтры приемного тракта. Для утсранения влияний температуры на приемник возможно:

1) термостатированние - поддерживание температуры приемника одинаковой все время или термостатирование частотных элементов наиболее подвержаных влиянию температуры окружающей среды;

2) термокомпенсация – устранение погрешностей вносимых температурой путем калибровки приемника на программном уровне.

3.1.1 Термостатирование

Для поддержания постоянной температуры частотного элемента применяют системы автоматического регулирования с датчиками температуры, регулируемым источником тепловой энергии (ИТЭ). В качечтве ИТЭ могут использоваться нагреватели различного типа и/или элементы Пельте и корректирующее звено с усилителем мощности. Эти системы называют система термостатирования (СТС). Рассмотрим принцип работы такой САР по структурной схеме, приведенной на рисунке 6. [18]

Рисунок 6 - Структурная схема САР

На сумматор поступает два сигнала, первый сигнал приходит с задающего устройства (ЗУ), а второй с датчика температуры (ДТ). С выхода сумматора сигнал разности ЗУ и ДТ поступает на корректирующее звено (КЗ) которое в свою очередь вырабатывает сигнал управления. Усилительное устройство (УУ) под управлением КЗ подает напряжение питания на регулируемый источник тепловой энергии (ИТЭ), задача которого поддержание заданной температуры объекта термостабилизации. С помощью ЗУ мы можем изменять температуру объекта термостабилизации.

На рисунке 7 показана фотография микромеханического акселерометра с СТС, в которой в качестве нагревательного элемента применяется резистор. В этой системе используется ДТ, встроенный в акселерометр.

Рисунок 7 - Механический акселерометр с СТС

Основным параметром характеризующим точность СТС, является коэффициент термостатирования K, равный отношению Диапазона изменения температуры окружающей среды к диапазону изменения температуры в точке термостатирования:

;                                                                                                           (1)

где (2) - диапазон изменения температуры окружающей среды; (3) - диапазон изменения температуры в точке термостатирования. Помимо большого коэффициента K , СТС должна обладать достаточно высоким быстродействием, чтобы парировать изменения температуры окружающей среды. Эта способность определяется в зщначительной степени параметрами объекта термостатирования, его передаточной функцией W(s):

;                                                                                                      (4)

где Ut(s)- изображение выходного сигнала датчика тенмпературы; Uy(s)- изображение входного сигнала усилительного устройства. Если определена передаточная функция W(s), то выбор передаточной функции корректирующего звена может проводится известными в теории систем автоматического регулирования методами.

Температура внутри навигационного приемника определяется не только температурой окружающей среды,  но и рассеиваемой в нем мощностью и тепловым сопротивлением прибора относительно окружающей среды. Поэтому при оценке влияния температурных изменений на точность прибора необходимо учитывать эти факторы.[9]

3.1.2 Термокомпенсация

Суть данного метода сводится к устранению погрешности влияния температуры путем программной корректировки данных. Этот принцип наглядно можно посмотреть на примере корректировки приемника МРК-33.

Для повышения точности при работе МРК-33 в диапазоне температур окружающей среды от +5°С до +50°С необходимо провести измерения влияния температуры на аппарат, при помощи климатической камеры и на основе полученных данных составить калибровочную таблицу.

Схема экспериментальной установки представлена на рисунке 8. Управляющая ЭВМ с установленным специальным программным обеспечением позволяет управлять аппаратурой МРК-40 и МРК-33.

Рисунок 8 - Схема экспериментальной установки

Определение температурной чувствительности МРК-33 производилось после калибровки МРК-40 по мощности выходного сигнала и только для основного выхода «Выход 1» МРК-40. Для определения температурной чувствительности МРК-33 осуществляется прием четырех компонент сигнала: L1 СТ, L1 ВТ, L2 СТ и L2 ВТ первой литерной частотой ГЛОНАСС, формируемого первыми четырьмя каналами МРК-40, первым каналом МРК-33.

МРК-33 помещают в климатическую камеру с температурой +5°С и выдерживают при этой температуре в течение двух часов (рисунок 8). Сняв показания, увеличивают температуру в климатической камере на 5°С. Выдерживав прибор при установившейся температуре один час опять снимают показания.