Исследование характерных ошибок позиционирования ЭКНИС-навигации.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ
В наше время, когда большой ценностью является безопасность, особое внимание стоит уделять точности навигации в управлении транспортными системами. В данном исследовании проанализирована система причин, обуславливающих ошибки и неточности при использовании электронных средств навигации и управления транспортом.
Дипломная работа позволяет получить полное представление об ошибках ЭКНИС навигации и основных направлениях их минимизации.
Была достигнута цель дипломной работы, исследованы характерные ошибки позиционирования ЭКНИС-навигации.
В ходе исследования были решены все поставленные задачи:
-изучены принципы работы ЭКНИС, установлено их современное состояние и актуальные тенденции технологического развития;
- изучены основные ошибки навигационных систем, приведена их классифика ...

Содержание
Введение 3
Глава 1. Теоретические основы исследования 5
1.1 Основные термины и методика исследования 5
1.2 Принципы сбора статистической информации о характерных ошибках ЭКНИС-навигации 8
Глава 2. Практический анализ 14
2.1 Характерные ошибки ЭКНИС-навигации 14
2.2 Анализ возможных источников погрешности со стороны техники 25
2.3 Оценка человеческого фактора в управлении навигационными системами 44
2.4 Выводы 54
Заключение 58

ВВЕДЕНИЕ
Новое научно-техническое направление, связанное с появлением электронных карт, относится к началу 80-х гг. первые такие средства получили название электронных картографических систем (ЭКС). Дальнейшая их модификация породила новый класс – электронные картографические навигационно-информационные системы (ЭКНИС) или (ЭКНИС).
Одним из перспективных направлений, которое направлено на улучшение работы систем ЭКНИС является поиск типичных ошибок в данных системах, который позволяет выявить системные причины для появления таких ошибок и неточностей.
Значимость решения этих проблем состоит в обеспеченииточности в работе GPSи ГЛОНАСС, усовершенствовать такие системы необходимо как для гражданских задач, так и для повышения обороноспособности России и качества работы служб слежения и опред еления информации. Точная навигация – залог безопасной работы авиационного, железнодорожного и водного транспорта.
Объектом исследования является совокупность электронных картографических навигационно-информационных систем.
Предметом исследования выступают ошибки и погрешности в работе навигационных систем.
Цель дипломной работы заключается в исследовании характерных ошибок позиционирования ЭКНИС-навигации.
Эта цель определила ряд конкретных задач:
-изучение принципов работы ЭКНИС;
- изучить основные ошибки навигационных систем;
-провести анализ статистики ошибок ЭКНИС;
- определить причины и меры устранения выявленных ошибок.
Новизна работы. Представлен анализ ошибок систем электронной навигации с учетом новейших данных, предложены пути их минимизации.
Теоретической и методологической базой исследования являются труды отечественных и зарубежных ученых по проблемам навигационных систем. Дипломная работа состоит из введения, двух глав, заключения и списка литературы.
В первой главе рассматриваются теоретические основы построения ЭКНИС, основанная статистическая информация и методологические принципы исследования.
Вторая глава посвящена практическому исследованию возможных источников погрешности со стороны техники. Производится оценка человеческого фактора в управлении навигационными системами, предлагаются пути минимизации возможных ошибок и направления совершенствования систем навигации.
В заключении сформулированы основные выводы и предложения в ходе исследования.
 

Погрешность карт, основанных на данных старых съемок. В настоящее время наблюдается отсутствие современных гидрографических съемок побережья ряда стран, особенно островов.В практике судовождения еще используются карты, составленные по съемкам 19 века. Этим картам присущи существенны погрешности определения, как опорных геодезических пунктов, так и объектов, положение которых находилось путем привязки к ним. Погрешности опорных точек обычно больше и вносят систематические отклонения в положение участков побережья.Недостатки карт, основанных на результатах нескольких съемок.Достаточно много бумажных карт представляют собой комбинацию данных нескольких съемок, собранных из разных источников за большой период времени. В результате одна карта может включать районы, где съемки основывались на использовании уровня и секстана, и области высокоточных геодезических данных.Погрешности основных датчиков информации. Эти погрешности влияют на положение отображаемого места судна, представляемые значения его кинематических параметров, на положение и элементы движения сопровождаемых САРП объектов, на ряд других данных.Отличия координатных систем. Неучет горизонтального датума карты при обсервациях по навигационным спутниковым системам может привести к увеличению погрешности в позиции судна. Существуют определенные проблемы трансформации горизонтальных датумов. Поправки при переходе от одного датума к другому в этом случае в разных частях Земли отличаются неоднородностью, которые используемые способы пересчета не могут полностью учесть.2.2 Анализ возможных источников погрешности со стороны техникиВ большинстве случаев данные электронной карты (ЭК) получаются путем цифрового представления информации бумажных карт с помощью дигитайзерных или сканерных технологий. Современные дигитайзеры и сканеры имеют определенную разрешающую способность, которая лежит в пределах 0.1-0.3 мм, что приводит к определенным погрешностям данных ЭК.Кроме того, когда данные ЭК получаются по данным бумажной карты, то в них присутствуют погрешности графической интерпретации карты, приближенно соответствующие разрешающей способности оригинального масштаба. Погрешности устройств цифрования и графической интерпретации карты полностью входят в получаемые данные электронной карты. Следует иметь в виду, что при представлении ЭК в более крупном масштабе величина этих погрешностей не уменьшается.Касаясь несовершенства средства отображения карты - дисплея, отметим следующее. Окно высвечивания карты на экране дисплея составляет примерно 1/6 часть бумажной карты, поэтому при одинаковом масштабе ЭК отображает меньший район. Величина акватории обзора в истинном режиме движения в этом случае при подходе к рамке карты может оказаться недостаточной, что требует смещения карты либо периодического использования более мелкого масштаба отображения.Разрешающая способность (размер пиксела) дисплеев, на которых отображаются электронные карты, составляет порядка 0.2-0.3 мм. Отсюда может быть установлена предельная точность масштаба карты. Для карты масштаба 1:50000 при размере пиксела 0.3 мм она, например, составляет 15 м. Эта точность уже хуже, чем точность определения места по DGPS, и требуемая точность определения положения в стесненных водах.Также следует отметить, что работа с дисплеем сопровождается повышенной утомляемостью оператора, что может привести к ошибочной интерпретации данных ЭК.Еще в 1979 г. на конференции ООН было отмечено отсутствие современных гидрографических съемок побережья большинства развивающихся стран, особенно островов. Эта ситуация в какой-то мере сохранилась и в настоящее время. На навигационных картах таких районов геодезические координаты опорных пунктов определены с недостаточной точностью.Относительно опорных пунктов на карту наносятся остальные картографические объекты, при этом на карте сохраняется верная картина взаимного расположения изображаемых на ней объектов. Кроме этого, на этих картах существенными могут быть и погрешности определения положения объектов относительно опорных пунктов.Судоводители должны сознавать, что в стесненных водах точность данных карты (бумажных карт, ENC, RNC) может быть меньше, чем используемой системы определения места. Это может быть в случае применения DGPS, которые позволяют определять место с точностью 1-5 м. Гидрографические съемки, которые проводились с использованием высокоточных береговых РНС вплоть до 1980 г. обеспечивали в среднем точность 20 м (Р=0.95). Точность геодезических съемок с помощью оптических средств до применения РНС была еще ниже. Поэтому на морских навигационных картах, основанных на гидрографических съемках, выполненных до 1980 г, точность положения картографических объектов ниже, чем точность определения места по DGPS. В настоящее время требования к точности обычных геодезических съемок местности составляют ±13 м, а для специальных съемок - ±5 м. В обоих случаях имеется в виду 95% погрешность определения положения.Таким образом, несмотря на то, что требуемая точность определения места судна в стесненных водах ±10м, точность положения картографических объектов на большинстве навигационных карт ниже.Ввиду существенного отличия от WGS84 систем отсчета координат карт ряда районов Земли, основанных на старой съемке, судовождение на основе информации GPS в таких районах опасно. Безопаснее здесь плавание с применением визуальных и радиолокационных определений места относительно береговых ориентиров и опасностей. В этом случае погрешности определения опорных точек геодезической съемки не влияют на точность определений места относительно опасностей. Чтобы учесть погрешности съемки местности относительно опорных точек, следует обходить опасности на большем расстоянии.Кроме неточности и малой подробности съемки местности, на точность данных карты могут влиять явления перемещения грунта.Поэтому к данным каждой морской навигационной карты требуется критический подход. Используя электронную карту для решения различных задач навигации, необходимо отдавать себе отчет в том, с какой степенью доверия можно отнестись к помещенной на ней навигационной информации. Качество картографической информации зависит от ряда факторов и в первую очередь от точности выполнения гидрографических работ и геодезических наблюдений, положенных в основу карты. Очевидно, что карты, составленные по результатам работ более поздних гидрографических экспедиций, являются более точными. Сведения о дате выпуска карты для ЭКНИСобычно приводят в разделе Crt (карты), а для RCDS - под нижней рамкой растровой карты.Важную роль при анализе карты играет ее масштаб. Чем крупнее масштаб, тем подробнее наносится нагрузка на карту. Здесь имеется ввиду оригинальный масштаб, поскольку перемасштабирование и недомасштабирование не оказывают влияния на уровень нагрузки. Отсюда вытекает требование использовать для навигации карты самого крупного масштаба. В ЭКНИСобычно предусматривается функция автозагрузки карты (chart autoload), которая автоматически загружает для текущего места карту самого крупного масштаба.Работая с картой, следует также обращать внимание на подробность промеров, которая характеризуется отметками глубин и наличием изобат. Частые отметки глубин и характера грунта свидетельствуют о тщательности промерных работ. Особого доверия заслуживают районы акваторий, в которых глубины подтверждены гидрографическим тралением.Наличие "белых пятен", недостоверных (пунктирных) изобат, а также надписей "ПС" и "СС" (на адмиралтейских картах "PA"- Position approximate и "PD"- Position daubtful) свидетельствуют о том, что промерные работы в этих районах производились менее тщательно. К опасным следует относить и районы со сложным рельефом дна. Обычно это районы с каменистым грунтом, в которых резко изменяются глубины. В случаях недостаточности промеров в акваториях со сложным рельефом дна могут встретиться опасные глубины не обнаруженные промером.При выборе маршрута необходимо учитывать возможность перемещения песчанного грунта в устьях рек и в районах действия сильных приливо-отливных течений.Анализируя карту, нужно учитывать, какой уровень принят нулем глубин. В ЭКНИС эта и другая полезная информация может вызываться для индикации в режиме исполнительной прокладки.В зависимости от результатов анализа и оценки степени доверия к каждой конкретной карте следует выбирать и безопасный маршрут судна.Для возможности определения качества данных используемой электронной карты, ЭКНИС должна обеспечивать индикацию всей необходимой для этой цели информации. В ЭКНИС погрешности влияют на положение отображаемого места судна, представляемые значения его кинематических параметров, на положение и элементы движения сопровождаемых САРП объектов.Применение различных координатных систем является одним из источников ошибок данных ЭКНИС. Это может быть различие геодезических датумов позиционной системы и карты. Прямым образом это касается использования данных современных спутниковых систем. Следует отметить, что довольно большой процент навигационных карт в настоящее время не может быть приведен ни к одному известному в настоящее время горизонтальному датуму. Кроме того, существуют проблемы и при пересчете данных карт с известным датумом к другому датуму. Особенно это касается датумов больших регионов Земли.Поправки для перехода от одного датума к другому в этом случае в разных частях Земли отличаются неоднородностью, которую используемые способы пересчета датумов не могут полностью учесть. Поэтому всегда существует вероятность появления тех или иных погрешностей в результатах пересчета.Следует отметить, что из-за возможного отличия горизонтальных датумов, необходимо производить ручную корректуру ЭК по относящимся только к этой карте корректурным документам. Эта корректура не должна использоваться для других карт этого района, номера которых не указаны в корректурном сообщении. Для корректуры иностранных карт должны использоваться соответствующие иностранные корректурные документы.Другим примером появления расхождения координатных систем является неучет отстояния антенны высокоточной навигационной системы от центра массы судна или неправильный ввод ее высоты.Следует также отметить и различие координатных систем отсчета пеленгов на карте и в РЛС: направления на карте отсчитываются от истинного меридиана, а измерения РЛ-пеленгов производятся относительно определенного по компасу направления на север, которое отличается от направления истинного меридиана.Еще одним примером возникновения погрешностей данных ЭКНИСот применения разных координатных систем служит расчет кинематических параметров целей с использованием данных относительного лага о скорости своего судна и отнесение вычисленных параметров целей к карте.Основой GNSS являются спутниковые радионавигационные системы GPS (США), ГЛОНАСС (Россия), космические и наземные функциональные дополнения и аппаратура потребителя.Приемник GPS отслеживает как код спутника, так и сигналы несущей, и преобразует их в дальность и приращение дальности от навигационного спутника до приемника. Существует несколько источников погрешностей, искажающих определение кода и несущей навигационного сигнала. К основным источникам погрешностей можно отнести ионосферную задержку, погрешности бортовых часов, погрешности эфемерид, тропосферную задержку, шумы приемника и многолучевость.Большинство из вышеназванных погрешностей может быть компенсировано методами дифференциальной коррекции. Ошибка задержки сигнала в ионосфере может быть вычислена путем проведения измерений на нескольких (двух) частотах. Но шумовые погрешности приемника и погрешности многолучевости независимы для каждого приемника. Шум приемника подобен белому шуму и может быть отфильтрован, а многолучевая погрешность — главный источник ошибок для высокоточной навигации. Это особенно верно для кодовых измерений, когда погрешности достигают величин десятков метров.Технология оценивания этих погрешностей основывается на свойствах временной корреляции погрешностей многолучевости навигационного сигнала. Используются два способа — фильтр Калмана¹В 4-го порядка и простой фильтр Калмана 2-го порядка для сигналов каждого навигационного спутника. Оцениваются дальность до навигационного спутника, приращение дальности, погрешность многолучевости и однозначность измерений. Для запуска фильтра требуются параметры кода сигнала и фазы несущей.Специальные методы используются для идентификации сигналов конкретного спутника. Экспериментальные результаты показывают, что методика может не только улучшить характеристики процесса навигации (в основном точность при статических измерениях), но и повысить качество навигационного обеспечения мобильных потребителей.Фильтр Калмана — это последовательное рекурсивное устройство оценки, использующее принятую модель генерации авторегрессивного сигнала для получения оценки, которая может быть существенно скорректирована в результате анализа каждой новой выборки во временной последовательности. Наиболее пригоден для анализа непрерывного временного ряда, например в радиолокационных станциях сопровождения.На приемную антенну аппаратуры потребителя GNSS может поступать не только прямой сигнал от навигационного космического аппарата (НКА), но и множество переотраженных сигналов от земной, морской поверхностей или близлежащих объектов. Для авиационного потребителя КНС задержка отраженного сигнала от НКА, находящегося в зените, может составлять 2/3...160 мкс, а при небольших углах возвышения НКА это значение уменьшается на порядок.Уровень отраженного сигнала может быть соизмеримым с прямым сигналом. Это приводит к существенным искажениям полезного сигнала и к погрешностям в схемах слежения за параметрами этого сигнала (задержкой, частотой и фазой). Эти погрешности во многом зависят от взаимного расположения НКА, приемной антенны аппаратуры потребителя (АП) КНС и отражающих объектов.Экспериментальные исследования показали большой разброс значений дальномерной погрешности из-за многолучевости, которая составляет 0,5–2 м в лучшем случае (при использовании специальных антенн) и до 100 м в худшем (в городских условиях с высотными зданиями). Использование в последней ситуации приемников сигналов стандартной точности (С/А-сигналов GPS или СТ-сигналов ГЛОНАСС) с узкополосными корреляторами может снизить погрешности на порядок.Кроме того, использование высокоточных сигналов (например, Р(Y)-сигналов GPS или ВТ-сигналов ГЛОНАСС) позволяет снизить погрешности из-за многолучевости в среднем до 1–3 м и в наихудшей ситуации до 8 м (1 σ). В наиболее неблагоприятных ситуациях может произойти срыв слежения в следящих схемах, особенно в фазовых.Приемник GPS генерирует на заданной частоте определенный псевдослучайный кодовый сигнал (PRN), который используется для синхронизации с навигационным сигналом спутника. Локально генерированный сигнал обрабатывается путем частотного поиска (или FFT³) для коррекции влияния эффекта Доплера, AFC-цепь используется для обеспечения захвата частоты, и COSTAS-цепь используется для захвата фазы. Захват канала происходит, когда эти процессы достигают устойчивого состояния.Для сопровождения спутникового сигнала используются ошибка сопровождения и обратная связь по коду, частоте и уходу частоты, чтобы поддержать максимальную корреляцию между спутниковым сигналом и локальным сигналом. Локальный сигнал, который известен, используется для получения дальности и приращения дальности по фазе несущей.Погрешности многолучевости появляются вследствие отражения от поверхностей при прохождении навигационного сигнала от спутника к приемнику. Отраженные сигналы сдвигают корреляционный пик и искажают теоретически симметричную корреляционную характеристику приемника. Это приводит к погрешностям в измерениях фазы и псевдодальности.Погрешности многолучевости присущи как стационарным, так и мобильным потребителям [28, с. 211]. Для мобильных приемников путь навигационного сигнала и отражающая геометрия изменяются, поэтому время корреляции погрешностей многолучевости для мобильных потребителей значительно меньше чем для стационарных. И в стационарных, и в мобильных реализациях неизвестные характеристики прямых и отраженных сигналов делают моделирование (и прогнозирование) погрешностей многолучевости неосуществимой задачей.Погрешность кода из за многолучевости может трансформироваться в погрешность псевдодальности от 1 до 3 метров в зависимости от типа и параметров антенны, в то время как многолучевая погрешность фазы обычно меньше нескольких сантиметров.В настоящее время отработано и реализовано несколько методов оценивания и снижения погрешностей многолучевости. Существующие методы могут быть классифицированы по трем большим категориям в соответствии с обрабатываемыми сигналами: первая категория базируется на радиочастотных сигналах; вторая — на доступных сигналах основной полосы частот; третья — на заключительных измерениях (код, сдвиг фазы). Многолучевость ведет к искажению дальностей. Рассмотрим, влияние отраженных радиолучей.Допустим, что к приемной антенне подошел прямой радиолуч от НКА, а также отраженный от поверхности земли. Отраженный луч отличается от прямого по амплитуде и по фазе. Из-за неизбежных потерь при отражении его амплитуда уменьшается, изменяясь пропорционально коэффициенту отражения ρ. Фаза изменяется по двум причинам: во-первых, в результате сдвига фазы при отражении на угол В и, во-вторых, из-за потери фазы за счет разности хода лучей на величину ΔR. Суммарный сдвиг по фазе равенВектор прямого луча с амплитудой напряженности электрического поля E суммируется с вектором отраженного луча. Вектор отраженного луча амплитуды E повернут на угол β.Результирующий вектор амплитуды кЕ повернут на угол α. Электрическое поле в месте расположения антенны является результатом интерференции обоих лучей (рисунок 1). При этом амплитуда результирующего поля изменяется в k раз по сравнению с амплитудой поля прямого луча, а его фаза сдвигается на угол α:Рисунок 1. Векторная диаграмма формирования результирующего луча kE из прямого E и отраженного EКоэффициент отражения ρ и угол сдвига фазы зависят от диэлектрической проницаемости и удельной электрической проводимости отражающей поверхности, длины волны, угла скольжения и поляризации радиолуча.Определим разность хода ΔR (рисунок 2). Центр антенны расположен в точке С на высоте h. Антенну устанавливают на штативе или шесте, ее высота составляет 1–2,5 м. Ввиду большой удаленности НКА падающие лучи можно считать параллельными. Тогда угол скольжения радиолуча γ и расстояние до точки отражения d соответственно равны:где Z — зенитное расстояние спутника (когда Z < 80°, а γ > 10°). Это означает, что при данных высотах h отражения происходят на удалениях от антенны d < 5–15 м. В точках A и B расстояния до НКА одинаковы. Далее прямому лучу предстоит пройти отрезок BC, а отраженному — отрезок AC. Разность хода равна:Рисунок 2. Разность хода прямого и отраженного лучей; экран, если он установлен, отсекает отраженные лучиРазность хода ΔR зависит от высоты антенны h и угла скольжения γ. Благодаря движению НКА угол скольжения меняется, что ведет к непрерывным изменениям разности хода ΔR. Вслед за изменениями ΔR меняются угол ? и погрешность Δотраж. Диапазон колебаний угла α определяется крайними положениями вектора kE в точках Q1 и Q2 (рис. 1).Очень важно, что погрешности Δотраж во времени меняются периодически. Если наблюдения длятся дольше периода изменения погрешностей, а затем накопленные измерения обрабатывают совместно, то искажения существенно компенсируются.На рис. 3 приведены графики, показывающие периодическое поведение погрешностей Δотраж в течение десятиминутного интервала наблюдений. Искажения подсчитаны через 1 минуту для высот антенн 1,5 и 1,95 м. Предполагалось, что поляризация волн линейная, горизонтальная, λ = 19 см, а отражения происходят от поверхности пресной воды. На графиках отчетливо видна периодичность искажений. Амплитуда колебаний Δотраж свыше 30 мм. Средние результаты искажены всего на 0 и на 3 мм. Для сухих и влажных почв амплитуда Δотраж уменьшится.Рисунок 3.