Меню
Главная
Авторизация/Регистрация
 
Главная arrow Техника arrow Беспроводные технологии на автомобильном транспорте. Глобальная навигация и определение местоположения транспортных средств

Синхронизация бортовых часов навигационных спутниковых часов потребителей

Компенсация ухода часов потребителя относительно атомных часов осуществляется путем дополнительного измерения.

Для простоты построения вновь ограничимся двумерным пространством, т.е. решим задачу определения местоположения на плоскости. Разумеется, ГНСС является трехмерной системой, но идея работает точно так же и в двух измерениях. Мы всего лишь временно исключаем одно измерение. Воспользуемся поясняющими рисунками-схемами.

Обычно расстояние до спутника измеряется в километрах. Но поскольку оно вычисляется на основе измерения времени, проще измерять его в единицах времени (рис. 2.5).

Метод измерения расстояния в единицах времени

Рис. 2.5. Метод измерения расстояния в единицах времени

При этом будет проще оценить, как ошибки часов скажутся на определении местоположения. Часы приемника не так совершенны, как атомные. Их ход соответствует кварцевым часам, но они не вполне сверены с единым временем системы. Предположим, они немного спешат. Например, так: когда они показывают 12 ч 00 мин 01 с, то в действительности это 12 ч дня. Посмотрим, как это скажется на вычислении местоположения транспортного средства. Представим, что мы находимся в 4 с от спутника А и в 6 с от спутника В. Этих двух измерений было бы достаточно для привязки нашего местоположения на плоскости к какой-либо одной точке. Назовем ее X (рис. 2.6).

Итак, X — это точка, в которой объект фактически находится, т.е. местоположение объекта в том случае, если часы приемника совершенны.

Определение местоположения с помощь двух спутников (случай совершенных часов приемника)

Рис. 2.6. Определение местоположения с помощь двух спутников (случай совершенных часов приемника)

Но если используется приемник с часами, идущими с опережением на 1 с, то приемник определил бы, что расстояние до спутника А составляет 5 с, а до спутника В — 7 с (рис. 2.7). В результате появятся две новые окружности, пресекающиеся в другой точке XX.

измерения времени

Рис. 2.7. Определение местоположения с помощью двух спутников для случая, когда часы приемника идут с опережением

Внешне это выглядело бы абсолютно правильным результатом, поскольку отсутствует возможность установить, что часы приемника идут с опережением. Вычисления, производимые им, не сказали бы об этом ничего. Теперь добавим еще одно измерение к нашим построениям. Это означает использование третьего спутника (рис. 2.8).

Предположим (если у нас совершенные часы), спутник С находится в 8 с от нашего истинного положения. Ситуация выглядела бы,

Определение местоположения с помощь трех спутников для случая совершенных часов приемника

Рис. 2.8. Определение местоположения с помощь трех спутников для случая совершенных часов приемника

как показано на рис. 2.8, на котором изображено истинное местоположение. Все три окружности пересекаются в точке X, так как они соответствуют истинным дальностям до трех спутников. Теперь добавим одну секунду опережения и посмотрим, что происходит. Если добавить одну секунду опережения ко всем трем измерениям, то новые окружности, соответствующие уже не истинным дальностям, а так называемым псевдодальностям, не пересекутся в одной точке, а образуют некоторый треугольник, и вероятное местоположение окажется где-то внутри него.

Заштрихованные окружности на рис. 2.9 соответствуют не истинным дальностям, а «псевдодальностям», т.е. дальностям, измеренным по неточным часам приемника.

Термин «псевдодальность» используется для обозначения дальностей, измеренных с ошибками.

Истинная дальность отличается от псевдодальности на величину, равную произведению скорости света на уход часов, т.е. величину смещения часов потребителя по отношению к системному времени.

Видно, что если окружности, соответствующие псевдодальностям до спутников А и В, пересекаются в точке XX, то соответствующая окружность от спутника С располагается на некотором расстоянии от нее. Таким образом, не существует одной точки, которая может быть одновременно в 5, 7 и 9 с соответственно от спутников А, В и С. Это физически невозможно.

Итак, для точного определения времени прохождения сигнала часы приемника и спутника должны быть максимально синхрони-

Определение местоположения с помощь трех спутников для случая часов приемника, идущих с опережением

Рис. 2.9. Определение местоположения с помощь трех спутников для случая часов приемника, идущих с опережением

зированы, отклонение даже на несколько микросекунд приводит к погрешности измерения в десятки километров. На спутнике для этих целей имеются высокоточные атомные часы. Установить аналогичные часы в приемник невозможно (используются обычные кварцевые часы), поэтому для синхронизации времени используются дополнительные сигналы, как минимум, с еще одного спутника. Предполагается, что если время в приемнике синхронизировано точно, то окружность с радиусом, равным расстоянию от четвертого спутника, пересечет ту же точку, что и окружности от остальных трех спутников. Приемник корректирует свои часы до тех пор, пока это условие не выполнится.

Иными словами, компьютеры приемников запрограммированы таким образом, что когда в них поступают измерения, не дающие пересечения в одной точке, они определяют, что часы приемника сбились и идут с некоторым опережением или отставанием по отношению к системному времени. В этом случае компьютер приемника начинает вычитание (или прибавление) некоторого (одного и того же для всех измерений) интервала времени, к ранее измеренным. Он продолжает корректировать время во всех измерениях до тех пор, пока не найдет решения, которое «проведет» все окружности через одну точку. В нашем примере он попросту обнаружит, что это достигается вычитанием одной секунды из всех трех измерений. Отсюда будет сделан вывод, что часы приемника опережают системное время на одну секунду.

Из сказанного следует, что при трехмерном определении местоположения (т.е. при одновременном определении трех координат — долготы, широты и высоты точки над принятым в расчетах земным эллипсоидом) необходимо выполнить четыре измерения, чтобы исключить погрешность временной привязки часов приемника к единому системному времени.

Таким образом, рассуждая аналогично, можно сделать вывод, что для точного определения положения объекта в трехмерном пространстве (30) необходимы сигналы минимум от четырех спутников. Отметим, что сигналы от трех спутников позволяют рассчитать координаты транспортного средства, но без определения высоты над поверхностью земли. Это так называемый 20-случай.

Навигационный приемник предназначен для определения пространственных координат, вектора скорости, текущего времени и других навигационных параметров, полученных в результате приема и обработки радиосигналов от навигационных спутников.

Необходимость в четырех измерениях существенным образом сказывается на проектировании приемников. Поскольку для решения навигационной задачи необходимо измерить псевдодальность и псевдоскорость относительно минимум четырех спутников, навигационные приемники целесообразно строить в многоканальном исполнении.

На вход приемника поступают радиосигналы от спутников, находящихся в зоне радиовидимости. Это означает, что с каждым из видимых спутников постоянно работает отдельный канал приема и первичной обработки сигналов. На практике при хорошей видимости небосвода приемники получают сигналы сразу от множества спутников (в идеале — от 12 спутников), что позволяет им синхронизировать часы и определять координаты с достаточно высокой точностью.

Компьютер приемника оснащен программой, которая выбирает четыре наиболее удачно расположенные спутника, определяет псевдодальности до них, решает алгебраически четыре уравнения с четырьмя неизвестными и быстро находит результат.

Таким образом, на практике в измерениях времени всегда присутствует ошибка, обусловленная несовпадением шкал времени спутника и приемника. По этой причине в приемнике вычисляется искаженное значение дальности до спутника, или «псевдодальность». Измерения расстояний до всех спутников, с которыми в данный момент работает приемник, происходит одновременно. Следовательно, для всех измерений величину временного несоответствия можно считать постоянной. С математической точки зрения это эквивалентно тому, что неизвестными являются не только координаты X, У и Я, но и поправка часов приемника Д/ (четыре неизвестные величины). Поэтому для их определения необходимо выполнить измерения псевдодальностей не до трех, а до четырех спутников. В результате обработки этих измерений в приемнике вычисляются географические координаты местоположения приемника и точное время. Если приемник установлен на движущемся объекте и наряду с псевдодальностями измеряет доплеровские сдвиги частот радиосигналов, то может быть вычислена и скорость объекта.

 
Если Вы заметили ошибку в тексте выделите слово и нажмите Shift + Enter
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   След >
 

Популярные страницы