Разработка алгоритма тесной интеграции инерциальных, спутниковых и корреляционно экстремальных навигационных систем для беспилотных локомотивов

Введение………………………………………………………………………….. 5
1 Глава. Современные методы навигации беспилотных подвижных объектов....9
1.1 Спутниковые навигационные системы………………………………..….9
1.2 Инерциальные навигационные системы…………………………….......17
1.3 Корреляционно-экстремальные навигационные системы…………...…32
2 Глава. Решение задачи тесной интеграции в общей постановке…….......…40
2.1 Общее решение задачи тесной интеграции для корреляционно-экстремальных навигационных систем и спутниковых НС…………………..40
2.2 Общее решение задачи тесной интеграции для корреляционно-экстремальных навигационных систем и инерциальных навигационных систем………………………………………………………………………...…..44
2.3 Алгоритм коррекции навигационных систем по данным карты………48
2.3.1 Байесовский подход в решении задачи коррекции НС…..………51
2.3.2 Двухэтапная схема решения задачи коррекции…………………..53
2.4 Алгоритм поисковой рельефометрической КЭНС…………………......57
2.5 Рекуррентно-поисковой алгоритм КЭНС……………………………….64
Заключение………………………………………………………………………67
Список используемых источников……………………………………………..68

Весь текст будет доступен после покупки

В современном мире повсеместно используются средства спутниковой навигации и отслеживания координат различных объектов для их сохранения и дальнейшего анализа. Основными системами спутниковой навигации являются GPS и российская система ГЛОНАСС. Они способны измерить координаты, скорость и направление движения любого объекта, оснащённого приёмником, настроенным на соответствующую передачу данных. Однако, из-за различных ошибок и погрешностей в измерении координат, как, например, отражение радиочастотных волн от соседних поверхностей и электромагнитных помех, может привести к тому, что информация о местоположении объектов может являться недостаточно точной.
Для увеличения точности определяемых координат существуют различные методы, от простой фильтрации данных до использования систем с дополнительными устройствами навигации, для которых изначально точно определены координаты местоположения. Фильтрация данных GPS-потока, разумеется, не даст такого точного результата, как применение более точного оборудования, но при этом она наименее ресурсозатратна.
Актуальность темы исследований.
При решении задач навигации и определения ориентации для различных объектов наиболее универсальными и широко распространенными являются методы спутниковой, инерциальной и корреляционно-экстремальной навигации.
Использование спутниковой навигации на железнодорожном транспорте позволяет: отслеживать перемещение подвижного состава, информировать пассажиров, грузоотправителей и грузополучателей о местоположении поездов, вагонов и грузов), контролировать соблюдение требований безопасности при управлении движением поездов.
Одна из актуальных проблем современной навигации – обеспечение получения надежной информации даже при полном отсутствии спутниковых навигационных сигналов в заданной точке местности, например, в тоннелях. Для решения этой проблемы необходимо применение комбинированных информационно-управляющих навигационных систем, основанных на использовании КЭНС, инерциальных датчиков в совокупности с высокоточными приемниками спутниковой навигации. Интегрированные системы позволяют определять местоположение объекта при различных условиях и типах движений.

Весь текст будет доступен после покупки

Спутниковая система навигации (GNSS, global navigation satellite system) – комплексная электронно-техническая система, состоящая из совокупности космического и наземного оборудования, целью которой является позиционирование объекта (определение скорости, направления движения и др.) для различных целей. Местоположение определяется с помощью трех координат приемника спутниковой навигации в некоторой системе координат. Позиционирование считается двумерным если в сферической системе координат неизвестной остаётся высота (третья координата). Статическим позиционированием называется такое позиционирование, при котором координаты приемника остаются неизменными. В другом случае – кинетическое позиционирование.
Спутники GNSS выполняют передачу на многих частотах, или диапазонах. Эксплуатация серии диапазонов GNSS увеличивает точность благодаря снижению влияния ошибок, которые вызывают искажения из-за атмосферных помех и переотражений сигнала. Разнообразные диапазоны сигналов GNSS помимо нахождения на разных частотах, имеют многообразные структуры сигналов и кодировки. Стоимость двухдиапазонных (они же многодиапазонные) приемников до последнего времени была очень высока. Преимущественно эти приемники применяют диапозоны сигналов L1 и L2 и широко используются в высокотехнологичных промышленных и аэрокосмических областях. Диапазон L2 изначально был пропределен для военных, но для коммерческого применения был добавлен диапазон L2C. В последние годы в дополнение к новым недорогим приемникам (рис.1.1) был добавлен в действие набор новых спутниковых сигналов,которые являются более надежными. Один из сигналов это L5 (GPS, QZSS), E5 (Galileo) и G3/B3 (ГЛОНАСС/Beidou). Сейчас высокоточные GNSS-системы готовы к мировому рынку. [1,2,3]

Рис.1.1. Недорогие двухдиапазонные GNSS приемники Broadkom
Двухдиапазонные приемники до середины 2019 года стоили в разы дороже, но с середины 2019 года ситуация изменилась – их цена намного снизилась. В таблице 1.1 представлены демократичные решения двухдиапазонных приемников.
Таблица 1.1
Компания Устройство Микросхема приёмника Диапазоны
Aceinna OpenRT330 ST TeseoV L1+L2
Ublox F9 Ublox L1+L2
Quectel LC79D Broadcom L1+L5
Quectel G69T ST TeseoV L1+L5
Компания Quectel презентовала первый простой навигационный модуль применяющий чипсет BCM47755 - им стал модуль LC79D, представленный на рисунке 1.2. Характеристики модуля представлены в таблице 1.2

Рис.1.2. Высокоточный GPS-модуль Quectel LC79D


Таблица 1.2
Максимальная погрешность точности позиционирования в пределах 1,2 м
Скорость движения определяет с точностью 0,1 м/с
генерирует метки времени с точностью 10 нс
Чувствительность при обнаружении спутников –147 дБм
Чувствительность при слежении до –163 дБм

Система АРУ допускает снижение эффекта подавления множества слабых сигналов спутниками, расположенными в зените. Следовательно, навигационный модуль LC79D от компании Quectel на базе чипсета Broadcom BCM47755 выполняет высокую точность навигации с ошибкой 0,3–1,2 м благодаря использованию комплексных сигналов разнообразных навигационных систем (GPS L1+L5, GLONASS L1, BeiDou (BDS) B1, QZSS L1, Galileo (GAL) E1, Galileo E5a и QZSS L5). Появляется возможность работы с внешним акселерометром и гироскопом, чтобы обеспечить бесперебойное позиционирование при непродолжительном пропадании спутниковых сигналов.
В интересах снабжения работы железнодорожного транспорта на текущий момент применяются многообразные беспроводные средства связи и обмен данными, информация о которых представлена в таблице 1.3.
Таблица 1.3
Область применения США, Канада Европа Россия
Диспетчеризация движения поездов на магистральных и высокоскоростных линиях
220 МГц/GSM/ CDMA
GSM/GSM-R
GSM/GSM-R/TETRA
Диспетчеризация малодеятельных линий
220 МГц/GSM/ CDMA

GSM/TETRA Отдельные проекты на основе применения спутниковой связи
Диспетчеризация подвижного состава 220 МГц/GSM/ CDMA
GSM-R GSM/GSM-R/ TETRA
Диспетчеризация ремонтных работ на инфраструктуре
220 МГц/GSM/ CDMA
GSM-R
GSM
Мониторинг опасных грузов
GSM/CDMA
GSM GSM для отдельных категорий грузов
Интервальное регулирование движения поездов (ИРПД)

220 МГц/Wi-Fi GSM-R (активно прорабатывается возможность перехода на IPповерх GSM-R/TETRA/LTE)
160 МГц/ DMR/GSM-R
Автоматизация маневровой работы
220 МГц/Wi-Fi
220 МГц 160 МГц/DMR/GSM-R/TETRA

На сегодняшний день для нужд ОАО «РЖД» назначены частотные ресурсы, которые выделены для построения систем управления движением и обеспечения безопасности, рассредоточены они следующим образом:
• 2 МГц — резервирующий радиоканал систем управления поездов;
• 160 МГц — радиоканалы систем управления соединенных и тяжеловесных поездов, станционных систем передачи данных на малодеятельных участках, сохраняющий канал в момент использования в системах управления радиосетей общего пользования;
• 460 МГц — системы управления маневровыми локомотивами на станциях;
• 900/1800 МГц — поездная радиосвязь и ИРДП на быстрых и высокоскоростных участках;
• 1800, 2400 МГц — станционные высокоскоростные сети передачи данных для информационно-управляющих систем, организации видеонаблюдения.

Весь текст будет доступен после покупки

1. ГЛОНАСС. Принципы построения и функционирования / Под ред. Перова А.И., Харисова В.Н. ? М.: Радиотехника, 2010. ? 800 с.
2. Алешин Б.С., Афонин А.А., Веремеенко К.К., Кошелев Б.В. и др. Ориентация и навигация подвижных объектов: современные информационные технологии / Под ред. Алешина Б.С., Веремеенко К.К., Черноморского А.И. – М.: Физматлит, 2006. – 424 с.
3. Соколов С.В. Высокоточное позиционирование транспортных средств на железнодорожном транспорте / Соколов С.В., Охотников А.Л. // В сборнике: труды АО «НИИАС». Сборник статей. Москва, 2021. С. 174-178.
4. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Автономные системы. – М.: Наука, 1966. – 580 с.
5. Соколов С.В., Югов Ю.М. Использование стохастического фильтра,
инвариантного к модели объекта, для синтеза интегрированных инерциально-спутниковых навигационных систем // Известия вузов. Северо-Кавказский регион. Технические науки. 2013. № 2. С.14-22.
6. Степанов О.А., Торопов А.Б. Методы нелинейной фильтрации в задаче навигации по геофизическим полям. Ч. 1. Обзор алгоритмов // Гироскопия и навигация. 2015. Т. 23. №3. С. 102–125.
7. Андреев В.Д. Теория инерциальной навигации. Корректируемые системы. – М.: Наука, 1967. – 648 с.
8. Интерфейсный контрольный документ ГЛОНАСС (5.1 редакция).- М.: РНИИ КП, 2008.- 57с.
9. Анучин Н.О., Емельянцев Г.И. Интегрированные системы ориентации и навигации для морских подвижных объектов. – СПб.: ГНЦ РФ – ЦНИИ «Электроприбор», 1999. – 356 с.
10. Хек М. Л. и др. Применение алгоритмов для бесплатформенных систем при обработке данных, поступающих от инерциального блока // Аэрокосмическая техника. 1985. –№3. С.127-133.

Весь текст будет доступен после покупки