Анализ алгоритмов предварительной обработки данных

Рассматриваются траекторные измерения по навигационным спутникам ГЛОНАСС, выполняемые с сети беззапросных станций радиотехническими методами. Такие измерения проводятся при определении координат и времени в интересах потребителя навигационной информации и при решении задач, обеспечивающих функционирование спутниковой навигационной системы. Практика решения перечисленных задач показывает, что от 10 до 30 процентов результатов траекторных измерений оказываются искаженными и нуждаются в коррекции . В работе предлагаются алгоритмы предварительной обработки результатов траекторных измерений, обеспечивающие фильтрацию шумов и исключение аномальных значений, гладкое восполнение пропущенных данных, идентификацию скачков фазы несущей и в фазовых измерениях и компенсацию этих скачков. Исследование предложенных алгоритмов проводится методами имитационного моделирования. Исходными данными для решения задач координатно-временных определений являются геометрические дальности от навигационных спутников (НС) до измерительной станции. , (1) Здесь и — вектор текущих координат НС (,,) и вектор координат потребителя (,,), определенные в единой геоцентрической системе координат. Измерение указанных наклонных дальностей радиотехническими методами сводится к определению длительности интервала времени, необходимого для прохождения навигационного сигнала от НС до приемной антенны потребителя. Этот измеренный временной интервал , выраженный в единицах длины и именуемый в дальнейшем псевдодальностью, связан с геометрической дальностью уравнением измерений: , (2) где — группа факторов, влияющих на точность измерений; — возмущения стохастической природы. Большую часть факторов , влияющих на точность траекторных измерений, можно скомпенсировать на основе применения известных математических моделей для этих факторов НС . Однако остаются факторы, не поддающиеся компенсации. ? Это выбросы в данных псевдодальномерных измерений, образующиеся в следствии многопутности прохождения радиосигнала. После удаления пачки выбросов образуются разрывы (см. рис. 1), требующие гладкого восполнения. ? Также в результате потери синхронизации приемной аппаратуры при фазовых измерениях образуются скачки фазы несущей Требуется эти скачки идентифицировать и вводить соответствующие компенсирующие поправки в результаты фазовых измерений. Перечисленные обстоятельства приводят к необходимости проведения предварительной обработки результатов траекторных измерений с целью: ? Фильтрации шумов, исключения выбросов из состава данных и замены их значениями, удовлетворяющих условиям гладкости траектории, для кодовых измерений; ? Идентификации и компенсации скачков фазовой неоднозначности в фазовых измерениях. Для обработки измерений вводится в рассмотрение опорная траектория близкая к действительной траектории спутника, и анализируется относительное движение НС. Эта опорная траектория рассчитывается на основе бортовых эфемерид и последующей интерполяции с помощью полиномов Чебышева . Для фильтрации щумов измерений и исключения небольших пачек выбросов авторами разработаны и применяются рекуррентные процедуры калмановского типа, адаптирующиеся к измерительной информации. При обнаружении выбросов, не попадающих в заданный доверительный интервал, фильтр переводится из режима фильтрации в режим прогнозирования.Рис. 1. Изменение псевдодальности абсолютное (а) и относительное вдоль опорной траектории (б) В случае прихода пачки выбросов большой длительности применяется алгоритм медианной фильтрации в виде процедуры «Тьюки 53Х» .Рис. 2. Использование фильтра Калмана в условиях действия пачки выбросов При использовании фильтра Калмана в массиве оценок возникает динамическая погрешность, проявляющаяся в виде фазового сдвига (см. рис. 3). Для исключения этой погрешности, авторами применена обработка выборк в прямом (рис. 3, Б) и обратном (рис. 3, В) направлениях.Рис. 3. Оценки измерений (А) с помощью ФК в прямом направлении (Б), ФК в обратном направлении (В) и среднее между прямым и обратным ФК (Г) Для проведения сравнительного анализа оценивания параметров НС по загрязненной выборке был выбран метод имитационного моделирования на основе программного имитатора ModBis24 . Моделирование проводилось с использованием следующих данных: — интервал радиовидимости НС — 5ч; СКО шума измерений — 20 м; — амплитуда выбросов — 180 м; — моменты появления выбросов: k1=100, k2=200, k3=550. Программный имитатор измерительной информации сети беззапросной измерительной станции представляет собой эффективный инструмент для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС, позволяющий проводить сравнительный анализ алгоритмов оценивания орбит, определять рациональный состав измерений и осуществлять подбор согласующих моделей для расчета компенсирующих поправок к факторам, влияющим на точность траекторных измерений. С помощью ModBis24 проведен анализ алгоритмов предварительной обработки данных траекторных измерений, получены рекомендации по выбору конструктивных параметров алгоритмов для получения результатов траекторных измерений с приемлемой точностью. Произведенный сравнительный анализ подходов и алгоритмов выявления и исключения выбросов (использование адаптивного линейного фильтра Калмана, медианного фильтра и процедуры «Тьюки 53Х») показал целесообразность предварительной медианной фильтрации исходных данных перед применением линейного фильтра. Полученные результаты модельных исследований и результаты обработки реальных сигналов хорошо согласуются с теоретическими положениями, положенными в основу синтеза робастных алгоритмов обработки измерительной информации в спутниковых навигационных технологиях. Антонович, спутниковых радионавигационных систем в геодезии /// Том 1. М.: ФГУП «Картгеоцентр», 2005. — 334 с. Жданюк, статистической обработки траекторных измерений / // М.: Сов. радио, 1978.- 384с., ил. Ершов, методы оценки параметров / //Автоматика и телемеханика, 1978, №8, с. 66-100. Микешина, и исключение аномальных значений / //Заводская лаборатория, 1966, №3, с. 310-318. Владимиров, измерительной информации для отработки эфемеридно-временного обеспечения космической навигационной системы ГЛОНАСС /, , // Измерительная техника. — 2004.- 8. — С.12-14.